Искусственные мышцы на основе «суперскручивания»: вдохновленные ДНК

Имитируя структуру двойной спирали ДНК, ученые создали искусственные мышечные волокна, значительно более мощные, чем природные. Эта технология имеет потенциал для применения в миниатюрных устройствах, таких как протезы рук и ловкие роботы.

Принцип работы: от скручивания к суперскручиванию

Ранее было обнаружено, что скрученные синтетические нити могут действовать как искусственные мышцы: при увеличении их объема (нагреванием, поглощением молекул или зарядкой) они раскручиваются, а при уменьшении — снова закручиваются. Такие волокна могли развивать скорость до 11 500 оборотов в минуту и создавать крутящий момент, сопоставимый с крупными электродвигателями, на килограмм веса.

Ключевым был выбор жестких нитей: при увеличении объема жесткие волокна не могут растянуться, поэтому компенсируют это раскручиванием.

Новый прорыв связан с явлением суперскручивания (supercoiling), аналогичным тому, что происходит с ДНК. Когда молекула ДНК раскручивается, но ее концы зафиксированы, она образует петли, накручиваясь сама на себя. Этот же эффект наблюдается в спутанном садовом шланге.

Создание мощных искусственных мышц

Исследователи создали композитное волокно из двух полиэстеровых нитей, покрытых гидрогелем, и скрутили их вместе. При погружении в воду гидрогель набухает.

• Если концы волокна свободны, оно раскручивается.
• Если концы волокна закреплены, оно вместо раскручивания начинает суперскручиваться, что приводит к мощному сокращению.

Результаты:

• Волокно сокращается до 90% от своей исходной длины.
• Механическая работа при сокращении составляет около 1 джоуля на грамм сухого волокна.

Для сравнения: мышечные волокна млекопитающих сокращаются лишь на ~20% и производят ~0,03 джоуля на грамм. Это означает, что для одинакового усилия волокно с суперскручиванием может быть в 30 раз меньше в диаметре, чем природная мышца.

Применение и перспективы

Искусственные мышцы особенно полезны там, где мало места, поскольку их мощность не падает при миниатюризации, в отличие от электродвигателей.

Потенциальные применения:

• Усовершенствованные протезы: для увеличения ловкости и количества приводов в кистях.
• Миниатюрные инструменты: например, пинцеты для неинвазивной или роботизированной хирургии.

Хотя область искусственных мышц активно развивается, идеальный материал, сочетающий большое сокращение, высокую скорость, эффективность, долгий срок службы и безопасность, еще не создан. Волокна на основе суперскручивания — шаг к этой цели, предлагая новый механизм для экстремального сокращения. Текущая задача — увеличение скорости их реакции.