Ученые: Мускулы роботов сделают из паутины

Открытие было сделано случайно.

Волокно, выделяемое паутинными железами пауков, известно как одно из самых прочных веществ в мире. Не так давно было обнаружено необычное свойство этого материала, которое стало известно как «суперконтракция»: при постепенном повышении влажности волокно в какой-то момент резко сжимается, пишет «Форбс».

В работе, опубликованной недавно в Science Advances, исследователи из Массачусетского Института Технологий сообщают о новом свойстве паутинного волокна, кроме сокращения, оно способно скручиваться, развивая при этом значительный вращающий момент. «Это совершенно новый феномен», — полагает руководитель исследования профессор Маркус Бюлер.

Явление было открыто случайно. Исследователи изучали суперконтракцию, подвесив на паутину груз внутри камеры с контролируемой влажностью. Они ожидали, что при повышении влажности груз резко поднимется вверх, и рассчитывали измерить возникающее усилие. Однако оказалось, что маятник приобретает еще и вращательное движение.

Обнаружив новый эффект, авторы подвергли испытаниям и другие биологические волокна белковой природы, — например, человеческий волос, — однако описанный эффект в них отсутствовал или был выражен значительно слабее.

Существует гипотеза, что в природе явление суперконтракции способствует тому, чтобы паутина натягивалась во время дождя или утренней росы, что предохраняет ее от повреждений. Что касается скручивания, то, по словам авторов, они не представляют себе, какое биологическое значение может иметь этот феномен. Чтобы разобраться в его природе, было проведено компьютерное моделирование, которое выполнили два научных сотрудника группы — Клер Сюй и Анна Тараканова. В модель была заложена последовательность аминокислот в двух паутинных белках, MaSp1 и MaSp2. Оказалось, что за скручивание отвечает аминокислота пролин, присутствующая во втором из белков. В местах, где находится эта аминокислота, в белковой цепочке наблюдается резкий излом. Молекулы воды, взаимодействуя с белковой цепочкой, разрывают водородные связи между аминокислотами, в результате чего угол излома меняется и возникает скручивающее усилие. Это происходит скачком при относительной влажности около 70%.

Авторы утверждают, что обнаруженный эффект может быть использован в широком классе материалов. Сами белки паутины можно производить без помощи пауков, в процессе биотехнологического производства. Кроме того, возможно создание полностью искусственных материалов, обладающих таким же свойством.

Способность развивать физическое усилие в ответ на тот или иной внешний сигнал — электрический, химический или тепловой — может быть использовано в робототехнике. Описанные свойства паутины могут оказаться особенно полезны при создании роботов-актуаторов (миниатюрных устройств, способных исполнять небольшой репертуар движений в зависимости от поступающей на вход информации). Ранее Forbes рассказывал о другом интересном решении робототехников: миниатюрные роботы можно приводить в движение зернами кукурузы, которые при прохождении электрического импульса взрываются, как при изготовлении попкорна. Паутина может оказаться особенно перспективным материалом, поскольку, наряду со способностью развивать механическое усилие, она обладает уникальными физическими свойствами — прочностью, легкостью и эластичностью.