Попай сделал шпинат известным как мускулатура. Но овощи могут когда-нибудь сделать вас сильнее, не будучи съеденными - когда ученые используют их для создания нового класса искусственных мышц. На этой неделе команда в Тайване представила позолоченные луковые клетки, которые демонстрируют перспективу расширения, сжатия и сгибания в разных направлениях, как настоящая мышечная ткань.
Связанный контент
- Этот лук никогда не заставит тебя плакать
- У этого робота мышцы лучше, чем у вас
Искусственные мышцы имеют широкий спектр возможных применений, от помощи травмированным людям до механических роботов, и существует множество способов их построения. Например, в прошлом году ученые из простой лески разработали набор искусственных мышц, которые могли бы поднять в 100 раз больше мышц человека того же размера и веса. Но пока не найдено явно превосходного способа создать поддельные мышцы.
«Есть искусственные мышцы, созданные с использованием эластомеров, сплавов с памятью формы, пьезоэлектрических композитов, ионопроводящих полимеров и углеродных нанотрубок», - говорит Вэнь-Пин Ши из Национального Тайваньского университета в Тайбэе. «Механизмы и функции привода очень разнообразны». Некоторые типы искусственных мышц приводятся в действие давлением, например, в пневматических системах, в то время как другие создают движение в результате изменений температуры или электрического тока.
Основной проблемой для создателей искусственных мышц является разработка их материалов для одновременного изгиба и сжатия, как это делают настоящие мышцы. Например, когда кто-то сгибает классическую позу «сделай мускул», его бицепс сокращается, но также наклоняется вверх, чтобы поднять предплечье. Ши и его коллеги пытались создать искусственную мышцу, которая могла бы одновременно сгибаться и сжиматься, и обнаружили, что структура и размеры кожуры лука были очень похожи на микроструктуру, которую они имели в виду.
Чтобы испытать острый овощ, группа Ши сначала взяла один слой эпидермальных клеток из свежего, очищенного лука и вымыла его чистой водой. Затем команда лиофилизировала лук, чтобы удалить воду, при этом оставив стенки его клеток нетронутыми. Этот процесс превратил микроструктуру в жесткую и ломкую, поэтому они обработали лук кислотой, чтобы удалить застывающий клетки белок, называемый гемицеллюлозой, и восстановить эластичность.
Слои лука были сделаны как мышцы, превращая их в электростатический привод. Это означало покрытие их золотыми электродами, которые проводят ток. Золото наносили двумя толщинами - 24 нанометра сверху и 50 нанометров снизу - для создания различных жесткостей при изгибе, а также для того, чтобы клетки сгибались и растягивались реалистичным образом. Это прекрасно сочеталось с естественной склонностью кожицы лука изгибаться в разных направлениях при воздействии различных напряжений из-за электростатического притяжения.
Команда сделала мышечные "пинцет" из клеток кожи лука. (Shih Lab, Национальный университет Тайваня) Более низкие напряжения от 0 до 50 вольт заставляли клетки удлиняться и сглаживаться от их первоначальной изогнутой структуры, в то время как более высокие напряжения от 50 до 1000 вольт заставляли растительную мышцу сокращаться и изгибаться вверх. Контролируя эти напряжения для изменения движений мышц, два луковичных устройства использовались в качестве пинцета для захвата небольшого ватного шарика, сообщают Ши и его коллеги на этой неделе в « Прикладной физике» .
Но для этого успеха потребовалось относительно высокое напряжение, которое Ши называет основным недостатком концепции на сегодняшний день. Более низкие напряжения необходимы для управления мышцами с помощью крошечных батарей или микропроцессорных компонентов, которые лучше подходят для силовых имплантов или частей робота. «Нам придется лучше понимать конфигурацию и механические свойства клеточных стенок, чтобы преодолеть эту проблему», - отмечает он.
Луковые клетки предоставляют некоторые преимущества по сравнению с предыдущими попытками использовать живые мышечные клетки для создания искусственной ткани, говорит Ши. «Культивирование клеток для формирования мышечной ткани для создания силы натяжения все еще очень сложно», - говорит Ши. «Люди пытались использовать живые мышцы раньше. Но тогда, как сохранить живые мышечные клетки, становится проблемой. Мы используем растительные клетки, потому что клеточные стенки обеспечивают мышечную силу, независимо от того, живы клетки или нет ».
Однако долговечность - это проблема: золотое покрытие помогло защитить луковые мышцы, но влага все еще может проникнуть сквозь их клеточные стенки и изменить свойства материала. У Ши есть идея решить эту проблему, которая вскоре может быть проверена. «Мы можем покрыть луковую искусственную мышцу очень тонким фторидным слоем», - говорит он. «Это сделает искусственные мышцы непроницаемыми для влаги, но не изменит мягкость устройства».
