蜘蛛丝用作湿度驱动的扭转致动器

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蜘蛛丝是由蜘蛛的腺体分泌的一种生物蛋白质纤维,因其具有其优异的力学性能、精巧的分级结构和潜在的应用前景,受到了国内外学者的广泛关注。蜘蛛在其生命历程中,会因生存需要或外界刺激产生多种性能和功能不同的丝,其中以大壶状腺丝力学性能最为优越,有“生物钢”之称。此前研究显示这种大壶状腺丝对水敏感,具有“超收缩”(supercontraction)性能,当相对湿度达到一定水平时,其可在长度方向上收缩约50%。蜘蛛丝的超收缩性能使其在人造肌肉或拉伸驱动器领域具有潜在的应用价值。但是,目前尚不清楚湿度会如何影响蜘蛛丝的扭转变形行为。

据传感器专家网3月4日消息,中国研究人员领导的一个国际团队发现,一种蜘蛛丝可根据环境湿度变化而扭转变形,未来有望应用于开发人造肌肉、传感器或制造扭转驱动器等。日前发表在美国《科学进展》杂志上的研究显示,当环境中相对湿度达到70%时,蜘蛛大壶状腺丝开始产生超过每毫米300度的扭转变形。通过调节相对湿度,研究人员可精确控制蜘蛛丝的扭转,这一特性在蚕丝和头发丝等纤维中未被发现。

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示意图实验装置用于研究蜘蛛拖丝的行为。在测量纤维的收缩和扭转时,中心的圆柱形腔体可以精确地控制湿度。

大壶状腺丝是蜘蛛丝的一种,具有牵引功能,还有充当蛛网“骨架”等作用。

中国华中科技大学刘大彪课题组与美国麻省理工学院等机构研究人员发现,这种蛛丝主要由MaSp1和MaSp2蛋白组成,后者含有脯氨酸环,遇到水分子发生反应后脯氨酸环中的氢键以非对称方式被破坏,从而导致蜘蛛丝朝一个方向扭转。

研究人员能够解码构成蜘蛛牵引丝的两种主要蛋白质的分子结构,如图所示。

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