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蜘蛛丝已经被认为是该重量下最坚固的材料之一，但研究人员近日发现，原来蛛丝有另一种不同寻常的性质，可能会有助于新型的人造肌肉或机器人驱动器的开发。
研究小组发现，这种弹性纤维对湿度变化的反应非常强烈。
当空气中的相对湿度超过一定水平时，它们会突然收缩和扭曲，产生足够的力量，从而可能与其他正在开发的致动器材料相竞争。致动器是一种通过移动来执行某些活动的设备，比如控制阀门。
这一发现发表在《科学进展》杂志上，由麻省理工学院土木与环境工程系系主任Markus Buehler教授、麻省理工学院前博士后Anna Tarakanova、本科生Claire Hsu、华中科技大学副教授Dabiao Liu及其他六人共同撰写。
研究人员最近发现了蜘蛛丝的一种叫做超收缩的特性，在这种特性中，细长的纤维会随着湿度的变化而突然收缩。
新的发现是，这种材料不仅会收缩，还会同时扭曲，从而产生强大的扭转力。
“这是一种新现象，”Buehler说。
“我们最初是偶然发现的，”Liu说，“我和同事想研究湿度对蜘蛛丝的影响。”
为了做到这一点，他们在蛛丝上悬挂一个重物来制造一个钟摆，并把它封闭在一个可以控制室内相对湿度的房间里。
“当我们增加湿度时，钟摆开始旋转。这出乎我们的意料。这真的让我很震惊。”
研究小组还测试了其他一些材料，包括人的头发，但在他们尝试的其他材料中没有发现这种扭曲运动。
但Liu说，他马上就开始思考，这种现象“可能会用于人造肌肉”。
Buehler说:“这对机器人领域来说可能非常有趣。”他认为这是一种控制某些传感器或控制设备的新方法。
“通过控制湿度来控制这些运动是非常精确的。”
蜘蛛丝以其特殊的强度重量比、柔韧性和韧性而闻名。世界各地的许多研究小组正在努力在这种蛋白质纤维的合成版本中复制这些特性。
而这个扭转力的目的,从蜘蛛的角度看尚不清楚。研究人员认为这种超收缩可能是用来应对空气中的水分，以确保在晨露中也可以拉紧蛛丝，保护其免受伤害，并且让蛛网在捕获猎物时的振动最大化。
“我们还没有发现扭转运动有任何生物学意义”，Buehler说。
但是通过实验室实验和计算机分子模型的结合，他们已经能够确定扭转机制是如何工作的。它是基于一种叫做脯氨酸的蛋白质构建块的折叠。
研究这一潜在机制需要详细的分子模型，由Tarakanova和Hsu进行。
“我们试图为我们的合作者在实验室里发现的东西找到分子机制，”Hsu解释道，“我们实际上发现了一个潜在的基于脯氨酸的机制。”
他们表明，有了这种特殊的脯氨酸结构，他们能够在模拟中重现扭转性质，而没有这种结构就没有扭转产生。
“蜘蛛丝是一种蛋白质纤维，”Liu解释说。
“它由两种主要蛋白质组成，一种是MaSp1，另一种是MaSp2。”
脯氨酸对扭转反应至关重要，它存在于MaSp2中，当水分子与它相互作用时，它们会以一种不对称的方式破坏其氢键，从而导致扭转。
扭转只朝一个方向进行，而且它发生在大约70%相对湿度的阈值下。
“这种蛋白质具有固有的旋转对称性，”Buehler说。通过它的扭转力，它使“一种全新的材料”成为可能。
既然这种特性已经被发现，他建议，也许它可以在合成材料中复制。
“也许我们可以制造一种新的聚合物材料来复制这种行为。”Buehler说。
“蚕丝独特的超收缩倾向以及对外界因素(如湿度)的反应表现出的扭转行为，可以用来设计响应性强的蚕丝基材料，这种材料可以在纳米尺度上进行精确调整。” 康涅狄格大学的助理教授Tarakanova说。
“潜在的应用多种多样:从湿度驱动的软体机器人和传感器，到智能纺织品和绿色能源发电机。”
也有可能其他的自然材料也能表现出这种特性，但如果是这样的话，这一点还没有被注意到。
“这种扭曲运动可能在我们还没有研究过的其他材料中发现，”Buehler说。
除了可能的人造肌肉，这一发现还可能用来开发检测湿度的精确传感器。
摘编：前瞻网
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