蜘蛛丝遇湿扭转特性将有助于开发出新型传感器

研究人员称,这一新发现可以启发人们设计出新颖的扭转驱动器或人造吸湿人工肌肉,并有助于开发新型湿度传感器、智能纺织品或绿色能源设备。

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  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。


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。

  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。

  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。

  此前研究显示这种大壶状腺丝对水敏感,当相对湿度达到一定水平时,牵引丝可在长度方向上收缩。

  论文通讯作者之一、麻省理工学院教授马库斯·比勒说,湿度导致的收缩让蛛丝在清晨遇到露水时拉紧,这可能有利于保护蛛网和蜘蛛捕食,但尚不清楚蛛丝扭转的生物学意义。

  没有参与这项研究的美国威斯康星大学麦迪逊分校教授普帕·吉尔伯特评价说,这种蛛丝就像一根绳子,随空气湿度变化而不断扭转,这种具备特殊性能的分子机制可用来制造由湿度驱动的软体机器人或智能面料。

  刘大彪说,新发现可以启发人们设计出新颖的扭转驱动器或人造吸湿人工肌肉,并有助于开发新型湿度传感器、智能纺织品或绿色能源设备。

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