Новая "суперспособность" паучьего шёлка поможет создать мышцы для роботов и не только

Объектом исследования стал шёлк пауков из рода кругопряды-нефилы.

Фото Liu et al., Sci. Adv. 2019.

Экспериментальная установка для изучения свойств паучьего шёлка. Учёные использовали цилиндрическую камеру с регулируемой влажностью.

Фото Liu et al., Sci. Adv. 2019.

Паутина известна своей невероятной эластичностью, упругостью и исключительным соотношением прочности и веса. Но, как оказалось, у материала имеется ещё одна любопытная характеристика, которая пригодится создателям искусственных мышц, к примеру, для роботов.

Команда из Массачусетского технологического института обнаружила, что при повышении влажности воздуха волокна паутины одновременно сжимаются и скручиваются.

Собственно, о сжатии волокон учёные уже знали. Предполагается, что это свойство обеспечивает "супернатяжение" и помогает сплетённым сетям оставаться на своём месте в условиях повышенной влажности, например, при попадании на них капель росы. Также возможно, что сжатые волокна лучше проводят колебания, благодаря чему паук быстро замечает, что в его ловушку попала добыча.

Что же касается скручивания волокон, пока не совсем понятно, чем это свойство выгодно паукам, признаются специалисты.

Изучая влияние влажности на паучий шёлк, они подвешивали на нити груз для создания своего рода маятника, а затем помещали их в камеру с регулируемой влажностью воздуха. Когда исследователи увеличили влажность, маятник, к их удивлению, начал вращаться.

Экспериментальная установка для изучения свойств паучьего шёлка. Учёные использовали цилиндрическую камеру с регулируемой влажностью.

Команда протестировала ряд других материалов, в том числе человеческие волосы, но ни один не продемонстрировал подобного поведения.

Благодаря комбинации лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования молекулярных структур, учёные смогли разгадать выявленный механизм. Оказывается, он основан на "скручивании" молекул аминокислоты под названием пролин. Они являются "строительными блоками" белков в составе паучьего шёлка.

Дальнейшие испытания показали, что волокна, лишённые пролина, не могут скручиваться в ответ на повышение влажности.

Авторы работы поясняют, что паучий шёлк состоит из двух основных белков, называемых MaSp1 и MaSp2. Пролин, имеющий решающее значение для реакции скручивания, входит в состав белка MaSp2. Когда молекулы воды взаимодействуют с этим соединением, они изменяют его водородные связи асимметричным образом, что приводит к скручиванию. Оно, как выяснилось, происходит только в одном направлении и при относительной влажности около 70%.

Молекулярная структура двух основных белков паучьего шёлка. Белок MaSp2 содержит пролин, который взаимодействует с молекулами воды.

По словам специалистов, в будущем можно будет создать новый полимерный материал, имитирующий "поведение" паучьего шёлка и обладающий высокой чувствительностью к "настройкам" на наноуровне.

Такой материал пригодился бы для создания искусственных мышц и гибких роботов, которыми можно будет управлять при помощи изменения влажности. Также материал может пригодиться для производства специализированных датчиков, "умного" текстиля и генераторов экологически чистой энергии.

Научная статья по итогам этой работы опубликована в журнале Science Advances.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) сообщали о том, что паучий шёлк поможет "сшить" разорванные нервы и даже подойдёт для создания скрипичных струн.