Le fibre super warp ispirate al DNA possono creare forti muscoli artificiali per i robot

Le potenziali applicazioni includono macchine in miniatura come mani protesiche e abili dispositivi robotici

La doppia elica del DNA è uno dei simboli più noti nella scienza. Imitando la struttura di questa complessa molecola genetica Abbiamo trovato un modo Per rendere le fibre muscolari sintetiche molto più forti di quelle che si trovano in natura, con potenziali applicazioni in molti tipi di macchine in miniatura come mani protesiche e dispositivi robotici abili.

Forza della bobina

Il DNA non è l’unica elica in natura. Capovolgi qualsiasi libro di biologia e vedrai spirali ovunque Lumaca alfa Le singole proteine ​​si formano in eliche “a spirale” di tali complessi proteici fibrosi Cheratina Nella poesia.

Alcuni tipi di batteri come SpirocheteAdottare forme elicoidali. Fino a th Pareti cellulari delle piante Può contenere fibre di cellulosa disposte a spirale.

Il tessuto muscolare è anche composto da proteine ​​avvolte a spirale che formano sottili filamenti. Ci sono molti altri esempi che sollevano la questione se la lumaca conferisca un particolare vantaggio evolutivo.

Molte di queste strutture elicoidali presenti in natura sono coinvolte nel far muovere le cose, come ad esempio Semi di semi aperti E torcendo tronchi, lingue e artigli. Questi sistemi condividono una struttura comune: fibre orientate a spirale incorporate in una matrice di spugna che consentono azioni meccaniche complesse come piegatura, torsione, allungamento, accorciamento o torsione.

Questa variazione nella realizzazione di una morfologia complessa può suggerire il motivo per cui le spirali sono così prevalenti in natura.

Le fibre si stanno evolvendo

Dieci anni fa, il mio lavoro sui muscoli artificiali mi ha portato a pensare molto alle spirali. I miei colleghi e io abbiamo scoperto un modo semplice per diventare forti Rotazione delle fibre muscolari artificiali Semplicemente avvolgendo i fili sintetici.

Queste fibre di filato potrebbero ruotare allentandole quando abbiamo ampliato le dimensioni del filo riscaldandolo, facendolo assorbire piccole particelle o caricandolo come una batteria. Il restringimento delle fibre ha causato la ritorsione.

noi Proofer Queste fibre possono far girare il rotore a velocità fino a 11.500 giri / min. Sebbene le fibre fossero piccole, abbiamo dimostrato che possono produrre la stessa quantità di coppia per chilogrammo dei grandi motori elettrici.

La chiave era garantire che il filo disposto a spirale nel filo fosse completamente rigido. Per accogliere l’aumento complessivo delle dimensioni del filo, i singoli fili devono essere allungati in lunghezza o allentati. Quando i fili sono troppo rigidi per stringere, il risultato è l’allentamento del filo.

Imparare dal DNA

Più recentemente, mi sono reso conto che le molecole di DNA si comportano come i nostri filamenti non attorcigliati. I biologi studiano Singole molecole di DNA Ha dimostrato che il DNA a doppia elica si separava quando trattato con piccole molecole che si inseriscono all’interno della struttura a doppia elica.

La spina dorsale del DNA è una solida catena di molecole chiamate fosfati di zucchero, quindi quando le piccole particelle inserite allontanano i due filamenti di DNA l’uno dall’altro, la doppia elica si allenta. Anche esperimenti mostrare Che se le estremità del DNA sono legate per impedire loro di ruotare, allora la mancanza di torsione porta a una “super-torsione”: la molecola di DNA forma un anello che si avvolge su se stessa.

Infatti, stimola le proteine ​​speciali Super Coordinatore Nelle nostre cellule per impacchettare piccole molecole di DNA nel nucleo.

Vediamo anche un super avvolgimento nella vita di tutti i giorni, ad esempio quando un tubo da giardino si aggroviglia. La torsione di qualsiasi fibra lunga può portare a una deformazione superiore, nota come “aggrovigliamento” nella lavorazione tessile o “torsione” quando i cavi si rompono.

Super twist per muscoli artificiali più forti

Vengono visualizzati i nostri ultimi risultati La superconversione è come il DNA Può essere causato dal rigonfiamento delle fibre di tessuto precedentemente attorcigliate. Abbiamo realizzato una fibra composita da due fili per cucire in poliestere, ciascuno ricoperto da un idrogel che si gonfia quando è bagnato e poi avvolge il paio insieme.

Il rigonfiamento dell’idrogel immerso in acqua provoca l’allentamento delle fibre del composto. Ma se le estremità delle fibre sono fissate per fermare la torsione, le fibre iniziano invece ad arricciarsi.

Di conseguenza, le fibre si sono ridotte fino al 90% della loro lunghezza originale. Nel processo di restringimento, ha svolto un lavoro meccanico equivalente a prelevare 1 joule di energia per ogni grammo di fibra secca.

Per fare un confronto, le fibre muscolari dei mammiferi come noi si restringono solo di circa il 20% della loro lunghezza originale e producono una produzione di lavoro di 0,03 joule per grammo. Ciò significa che lo stesso sforzo di sollevamento può essere ottenuto in una fibra super ordito di 30 volte di diametro rispetto al nostro muscolo.

Perché i muscoli artificiali?

I materiali per muscoli artificiali sono particolarmente utili nelle applicazioni in cui lo spazio è limitato. Ad esempio, l’ultimo motore è motorizzato Mani protesiche È impressionante, ma attualmente incompatibile con l’ingegnosità della mano umana. Sono necessari più motori per replicare l’intera gamma di movimento, i tipi di presa e la potenza di un essere umano sano.

I motori elettrici diventano meno potenti a causa delle loro dimensioni ridotte, il che li rende meno utili nelle protesi e in altre macchine in miniatura. Tuttavia, i muscoli artificiali mantengono un lavoro elevato e la produzione di energia su piccoli intervalli.

Per dimostrare le sue potenziali applicazioni, abbiamo utilizzato fibre muscolari super-torcenti per aprire e chiudere minuscole pinzette. Questi strumenti possono far parte della prossima generazione di chirurgia non invasiva o di sistemi chirurgici robotici.

Diversi nuovi tipi di muscoli artificiali sono stati introdotti dai ricercatori negli ultimi dieci anni. Questa è un’area di ricerca molto attiva guidata dalla necessità di dispositivi meccanici in miniatura. Nonostante siano stati compiuti grandi progressi, non abbiamo ancora un muscolo protesico che sia completamente compatibile con le prestazioni dei muscoli normali: grandi contrazioni, alta velocità, efficienza, lunga vita operativa, funzionamento silenzioso e sicuro da usare a contatto con gli esseri umani.

I nuovi muscoli super slogati ci portano un passo avanti verso il raggiungimento di questo obiettivo introducendo un nuovo meccanismo per generare contrazioni molto grandi. Le nostre fibre corrono attualmente lentamente, ma stiamo vedendo modi per aumentare notevolmente la velocità della risposta e questo sarà al centro della ricerca in corso.

Jeff Spinks, Professore senior, Istituto australiano di materiali innovativi, Università di Wollongong, Università di Wollongong

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