3月1日，華中科技大學(xué)土木學(xué)院力學(xué)系劉大彪課題組在美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）出版的《科學(xué)》（Science）子刊《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表了題為“蜘蛛絲用作濕度驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器”（Spider dragline silk as torsional actuator driven by humidity）的研究論文。劉大彪博士為論文第一作者和共同通訊作者，何玉明教授指導(dǎo)了該項(xiàng)研究，碩士生鄭詩敏、本科生余淼和余龍騰參與了該項(xiàng)研究。論文的合作者還包括：美國麻省理工學(xué)院Markus J. Buehler教授（共同通訊）、Anna Tarakanova博士、英國倫敦瑪麗女王大學(xué)D. J. Dunstan教授和湖北大學(xué)劉杰教授。
蜘蛛絲是由蜘蛛的腺體分泌的一種生物蛋白質(zhì)纖維，因其具有其優(yōu)異的力學(xué)性能、精巧的分級(jí)結(jié)構(gòu)和潛在的應(yīng)用前景，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。蜘蛛在其生命歷程中，會(huì)因生存需要或外界刺激產(chǎn)生多種性能和功能不同的絲，其中以大壺狀腺絲力學(xué)性能最為優(yōu)越，有“生物鋼”之稱。此前研究顯示這種大壺狀腺絲對(duì)水敏感，具有“超收縮”（supercontraction）性能，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到一定水平時(shí)，其可在長度方向上收縮約50%。蜘蛛絲的超收縮性能使其在人造肌肉或拉伸驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是，目前尚不清楚濕度會(huì)如何影響蜘蛛絲的扭轉(zhuǎn)變形行為。
該團(tuán)隊(duì)研究表明，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到約70%時(shí)，蜘蛛大壺狀腺絲開始產(chǎn)生超過每毫米300度的扭轉(zhuǎn)變形。通過調(diào)節(jié)相對(duì)濕度，研究人員可精確控制蜘蛛絲的扭轉(zhuǎn)變形，這一特性在蠶絲、頭發(fā)絲和凱夫拉等纖維中未被發(fā)現(xiàn)。隨后，他們基于蜘蛛絲的分子結(jié)構(gòu)對(duì)該現(xiàn)象的物理機(jī)制進(jìn)行了闡釋。這種蛛絲主要由MaSp1和MaSp2蛋白組成，后者含有大量脯氨酸環(huán)，遇到水分子發(fā)生反應(yīng)后脯氨酸環(huán)中的氫鍵以非對(duì)稱方式被破壞，從而導(dǎo)致蜘蛛絲朝一個(gè)方向扭轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)可以啟發(fā)人們?cè)O(shè)計(jì)出新穎的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器或人造肌肉，并有助于開發(fā)新型傳感器、智能紡織品或綠色能源設(shè)備。
濕度控制的蜘蛛絲扭轉(zhuǎn)變形現(xiàn)象
濕度控制的蜘蛛絲扭轉(zhuǎn)變形現(xiàn)象
著名生物物理學(xué)家、美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校教授Pupa Gilbert評(píng)價(jià)說，“這是一個(gè)奇妙的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樽髡哂^察到蜘蛛絲的扭轉(zhuǎn)是巨大的。這種蛛絲就像一根繩子，隨空氣濕度變化而不斷扭轉(zhuǎn)，這種具備特殊性能的分子機(jī)制可用來制造由濕度驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人或智能面料。”
著名固體力學(xué)家、美國工程院院士、美國西北大學(xué)黃永剛教授評(píng)價(jià)該工作“利用蜘蛛絲對(duì)濕度的高度敏感性，證明了蜘蛛絲可以被制作為非常精確的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。這是一個(gè)新穎的概念，它可能在電子、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如，制作吸濕人工肌肉和濕度傳感器等。”黃永剛教授認(rèn)為“該工作結(jié)合了分子模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和深入的分析，從而將化學(xué)鍵基本變化與宏觀現(xiàn)象聯(lián)系起來。從基礎(chǔ)科學(xué)的角度講，這是至關(guān)重要的，同時(shí)對(duì)于應(yīng)用也是令人興奮的！
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目、歐盟“瑪麗?斯克沃多夫斯卡?居里”學(xué)者獎(jiǎng)學(xué)金(MSCA-IF)、湖北省自然科學(xué)基金以及華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
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