Nuestros músculos son estructuras asombrosas. Con el desencadenante de un pensamiento, los filamentos musculares se deslizan entre sí y los haces de fibras contraídas tiran de los huesos que mueven nuestros cuerpos. El comportamiento de estiramiento desencadenado del músculo se basa inherentemente en la geometría, caracterizada por una disminuciónde longitud y aumento de volumen o viceversa en respuesta a un cambio en el entorno local, como la humedad o el calor.
Las variaciones de esta geometría dinámica aparecen en otros lugares de la naturaleza, exhiben una variedad de mecanismos y estructuras y un desarrollo inspirador en la tecnología muscular artificial. La seda de araña, específicamente la seda de araña Ornithoctonus Huwena, ahora ofrece la inspiración más reciente gracias a la investigación de una colaboración de científicosen China y EE. UU., cuyos resultados se publican hoy en letras de física aplicada , de AIP Publishing.
"La seda de araña es un material biológico natural con alta sensibilidad al agua, lo que nos inspira a estudiar la interacción entre la seda de araña y el agua", dijo Hongwei Zhu, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tsinghua en Beijing y partede la colaboración. "La araña Ornithoctonus Huwena es una especie única, ya que puede criarse artificialmente y hila seda de diámetro a nanoescala".
Además de la capacidad de contracción y estiramiento de los músculos, la forma en que se activa el movimiento, cómo se activa el músculo, es una parte clave de su funcionalidad. Estas fibras de seda de araña, activadas por gotas de agua, mostraron un comportamiento impresionante entodas las formas que importan para el rendimiento muscular o para los superhéroes que pueden necesitar que se balanceen desde los edificios.
"En este trabajo, revelamos el comportamiento de 'estiramiento por contracción' de las fibras de seda de la araña Ornithoctonus Huwena accionadas por agua, y lo aplicamos con éxito en el levantamiento de pesas", dijo Zhu. "Todo el proceso puede cubrir una larga distancia con unvelocidad rápida y alta eficiencia, y racionalizarse aún más a través de un análisis de la energía mecánica del sistema ".
El equipo de investigación observó el proceso de actuación en algunos escenarios diferentes, capturando la macro dinámica de las fibras en flexión con imágenes de alta velocidad. Accionaron fibras desnudas en una superficie plana un portaobjetos de microscopio y colgando de un punto fijo sostenido con pinzas antes de agregar un peso a la configuración colgante para probar sus habilidades de elevación.
Zhu y su grupo también investigaron la microestructura de las proteínas que componen las fibras, revelando la infraestructura de proteínas que conduce a su acción hidro-reflexiva.
La microscopía electrónica dio una imagen clara de los hilos internos lisos que componen la estructura fibrosa, y una técnica impulsada por láser, llamada espectroscopía Raman, reveló la conformación precisa de las estructuras de plegamiento de proteínas que componen cada capa. Fundamentalmente, la molécula molecular específicaconfiguraciones, en este caso con proteínas que tienen una fuerte afinidad por el agua y que se reorganizan en presencia de agua, dan lugar a la actuación de la seda de araña.
"Las hélices alfa y las láminas beta son dos tipos de estructuras plegables de proteínas secundarias en las proteínas de seda de araña", dijo Zhu. "Las láminas beta actúan como enlaces cruzados entre las moléculas de proteínas, que se consideran relevantes para la resistencia a la tracción de la seda de araña.Las hélices A son cadenas de polipéptidos plegadas en una estructura en espiral, que se consideran relevantes para la extensibilidad y elasticidad de la proteína de seda de araña ".
Devolver la fibra a su estado relajado ya que los músculos de un solo uso son mucho menos útiles solo requiere eliminar el agua, lo que ofrece conservación junto con su simplicidad. Con algunos ajustes, también existe la posibilidad de diseñar el comportamiento preciso deel ciclo de encogimiento-estiramiento
"Además, como la gota de agua que cae puede ser recolectada y reciclada, el proceso de levantamiento ahorra energía y es amigable con el medio ambiente", dijo Zhu. "Esto ha brindado la posibilidad de que la seda de araña pueda actuar como músculo biomimético para obtener algocon bajo costo de energía. Se puede mejorar aún más para completar el comportamiento de estiramiento por contracción por etapas diseñando el grosor de la fibra de seda y controlando el volumen de la gota ".
Comprender este material notable ofrece una nueva visión para desarrollar cualquiera de una serie de dispositivos flexibles y manejables en el futuro.
"La interacción entre la materia y el líquido puede dar lugar a cambios estructurales de los materiales, que pueden aplicarse aún más a actuadores, sensores y dispositivos flexibles", dijo Zhu.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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