Super Twist-Fasern, inspiriert von synthetischer Muskel-DNA

Mögliche Anwendungen sind Miniaturmaschinen wie Handprothesen und geschickte Robotergeräte

Die Doppelhelix der DNA ist eines der bekanntesten Symbole in der Wissenschaft. Durch Nachahmung der Struktur dieses komplexen genetischen Moleküls Wir haben einen Weg gefunden Synthetische Muskelfasern viel stärker als in der Natur zu machen, mit potenziellen Anwendungen in vielen Arten von Miniaturmaschinen wie Handprothesen und geschickten Robotergeräten.

Spulenkraft

DNA ist nicht die einzige Helix in der Natur. Wenn Sie ein Biologiebuch umblättern, sehen Sie überall Spiralen Alpha-Schnecke Die einzelnen Proteine ​​bilden „gewundene“ Helices solcher faseriger Proteinkomplexe Keratin In der Poesie.

Einige Arten von Bakterien wie SpirochätenHelixformen annehmen. Bis th Zellwände von Pflanzen Es kann spiralförmig angeordnete Cellulosefasern enthalten.

Muskelgewebe besteht auch aus spiralförmig gewickelten Proteinen, die feine Filamente bilden. Es gibt viele andere Beispiele, die die Frage aufwerfen, ob die Schnecke einen bestimmten evolutionären Vorteil bietet.

Viele dieser natürlich vorkommenden helikalen Strukturen sind daran beteiligt, Dinge in Bewegung zu setzen, wie z Samenkerne öffnen Und Stämme, Zungen und Krallen verdrehen. Diese Systeme haben eine gemeinsame Struktur: spiralförmig orientierte Fasern, die in eine Schwammmatrix eingebettet sind und komplexe mechanische Aktionen wie Biegen, Verdrehen, Dehnen, Verkürzen oder Verdrehen ermöglichen.

Diese Variation bei der Realisierung einer komplexen Morphologie kann auf den Grund hinweisen, warum Spiralen in der Natur so weit verbreitet sind.

Fasern entwickeln sich

Vor zehn Jahren hat mich meine Arbeit an künstlichen Muskeln dazu gebracht, viel über Spiralen nachzudenken. Meine Kollegen und ich haben einen einfachen Weg gefunden, um stark zu werden Rotation künstlicher Muskelfasern Durch einfaches Umwickeln der synthetischen Fäden.

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Diese Garnfasern könnten sich drehen, indem sie sich lockern, wenn wir die Fadengröße durch Erhitzen, Absorbieren kleiner Partikel oder Aufladen wie eine Batterie vergrößern. Das Schrumpfen der Fasern verursachte das erneute Verdrehen.

wir Proofer Diese Fasern können den Rotor mit Drehzahlen bis zu 11.500 U / min drehen. Während die Fasern klein waren, haben wir gezeigt, dass sie das gleiche Drehmoment pro Kilogramm erzeugen können wie große Elektromotoren.

Der Schlüssel bestand darin, sicherzustellen, dass das im Garn spiralförmig angeordnete Garn vollständig steif war. Um der Gesamtvergrößerung des Fadens Rechnung zu tragen, müssen die einzelnen Litzen in der Länge gedehnt oder gelöst werden. Wenn die Gewinde zum Festziehen zu steif sind, löst sich das Gewinde.

Aus DNA lernen

In jüngerer Zeit wurde mir klar, dass sich DNA-Moleküle wie unsere ungedrehten Stränge verhalten. Biologen studieren Einzelne DNA-Moleküle Er zeigte, dass sich die doppelsträngige DNA trennte, wenn sie mit kleinen Molekülen behandelt wurde, die sich in die Doppelhelixstruktur einfügen.

Das DNA-Rückgrat ist eine feste Kette von Molekülen, die als Zuckerphosphate bezeichnet werden. Wenn also die kleinen inserierten Partikel die beiden DNA-Stränge auseinander drücken, löst sich die Doppelhelix. Experimente auch erscheinen Wenn die Enden der DNA gebunden sind, um ein Drehen zu verhindern, führt das Fehlen einer Verdrehung zu einer „Super-Verdrehung“: Das DNA-Molekül bildet eine Schleife, die sich um sich selbst wickelt.

Tatsächlich stimuliert es die speziellen Proteine Superkoordinator In unseren Zellen kleine DNA-Moleküle in den Kern zu packen.

Wir sehen auch Superwickel im Alltag, zum Beispiel wenn sich ein Gartenschlauch verheddert. Das Verdrillen langer Fasern kann zu einer überlegenen Verformung führen, die bei der Textilverarbeitung als „Verwickeln“ oder bei Kabelbruch als „Verdrillen“ bezeichnet wird.

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Super Twist für stärkere künstliche Muskeln

Unsere neuesten Ergebnisse erscheinen Die Superkonvertierung ist wie DNA Es kann durch Ausbeulen zuvor verdrillter Gewebefasern verursacht werden. Wir haben eine Verbundfaser aus zwei Polyester-Nähfäden hergestellt, die jeweils mit einem Hydrogel bedeckt sind, das im nassen Zustand quillt und das Paar dann zusammenwickelt.

Das Quellen des Hydrogels durch Eintauchen in Wasser bewirkt, dass sich die Verbindungsfasern lösen. Wenn jedoch die Enden der Fasern so fixiert sind, dass sie sich nicht mehr verdrehen, beginnen sich die Fasern stattdessen zu kräuseln.

Infolgedessen sind die Fasern um bis zu 90% ihrer ursprünglichen Länge geschrumpft. Während des Schrumpfens erledigte sie eine mechanische Arbeit, die der Entnahme von 1 Joule Energie pro Gramm Trockenfaser entsprach.

Zum Vergleich: Muskelfasern von Säugetieren wie uns schrumpfen nur um etwa 20% ihrer ursprünglichen Länge und produzieren eine Arbeitsleistung von 0,03 Joule pro Gramm. Dies bedeutet, dass bei einer Super Warp-Faser mit 30-fachem Durchmesser im Vergleich zu unseren Muskeln die gleiche Hebekraft erzielt werden kann.

Warum künstliche Muskeln?

Künstliche Muskelmaterialien sind besonders nützlich bei Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt ist. Zum Beispiel ist der neueste Motor motorisiert Prothetische Hände Es ist beeindruckend, aber derzeit nicht mit dem Einfallsreichtum der menschlichen Hand vereinbar. Es werden mehr Motoren benötigt, um den gesamten Bewegungsumfang, die Griffarten und die Kraft eines gesunden Menschen zu reproduzieren.

Elektromotoren werden aufgrund ihrer reduzierten Größe weniger leistungsstark, was sie für Prothesen und andere Miniaturmaschinen weniger nützlich macht. Künstliche Muskeln halten jedoch über kleine Bereiche eine hohe Arbeits- und Energieproduktion aufrecht.

Um seine möglichen Anwendungen zu demonstrieren, verwendeten wir super-verdrehte Muskelfasern, um winzige Pinzetten zu öffnen und zu schließen. Diese Werkzeuge können Teil der nächsten Generation nicht-invasiver chirurgischer oder robotergestützter chirurgischer Systeme sein.

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In den letzten zehn Jahren haben Forscher verschiedene neue Arten künstlicher Muskeln eingeführt. Dies ist ein sehr aktives Forschungsgebiet, das durch den Bedarf an mechanischen Miniaturgeräten angetrieben wird. Obwohl große Fortschritte erzielt wurden, haben wir noch keinen Prothesenmuskel, der vollständig mit der Leistung normaler Muskeln kompatibel ist: große Kontraktionen, hohe Geschwindigkeit, Effizienz, lange Lebensdauer, geräuschloser Betrieb und sichere Anwendung im Kontakt mit Menschen.

Die neuen verstauchten Muskeln bringen uns diesem Ziel einen Schritt näher, indem wir einen neuen Mechanismus einführen, um sehr große Kontraktionen zu erzeugen. Unsere Fasern laufen derzeit langsam, aber wir sehen Möglichkeiten, die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich zu erhöhen, und dies wird der Schwerpunkt der laufenden Forschung sein.
Gespräch

Jeff Spinks, Seniorprofessor, Australisches Institut für innovative Materialien, Universität Wollongong, Universität von Wollongong

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