Spindelsilke, redan känd som ett av de starkaste materialen för sin vikt, visar sig ha en annan ovanlig egenskap som kan leda till nya typer av artificiella muskler eller robotaktuatorer, forskare har funnit.

De fjädrande fibrerna, laget upptäckte, reagerar mycket starkt på förändringar i luftfuktighet. Över en viss nivå av relativ luftfuktighet i luften, de drar sig plötsligt ihop och vrider sig, utöva tillräckligt med kraft för att potentiellt vara konkurrenskraftig med andra material som utforskas som ställdon - enheter som rör sig för att utföra viss aktivitet, till exempel att styra en ventil.

Resultaten rapporteras idag i tidningen Vetenskapliga framsteg , i en uppsats av MIT -professor Markus Buehler, chef för institutionen för samhälls- och miljöteknik, tillsammans med tidigare postdoc Anna Tarakanova och grundstudenten Claire Hsu vid MIT; Dabiao Liu, docent vid Huazhong University of Science and Technology i Wuhan, Kina; och sex andra.

Forskare upptäckte nyligen en egenskap hos spindelsilke som kallas superkontraktion, där de smala fibrerna plötsligt kan krympa som svar på förändringar i fukt. Det nya fyndet är att inte bara trådarna drar ihop sig, de vrider sig samtidigt, ger en stark vridkraft. "Det är ett nytt fenomen, "Säger Buehler.

"Vi hittade detta av misstag först, "Liu säger." Mina kollegor och jag ville studera fuktens påverkan på spindeldraglinesilke. "För att göra det, de hängde en vikt från siden för att göra en slags pendel, och inneslutna den i en kammare där de kunde kontrollera den relativa luftfuktigheten inuti. "När vi ökade luftfuktigheten, pendeln började rotera. Det var över förväntan. Det chockade mig verkligen. "

Teamet testade ett antal andra material, inklusive människohår, men hittade inga sådana vridrörelser i de andra de försökte. Men Liu sa att han började tänka direkt att detta fenomen "kan användas för konstgjorda muskler".

"Det här kan vara väldigt intressant för robotgemenskapen, "Buehler säger, som ett nytt sätt att styra vissa typer av sensorer eller styrenheter. "Det är mycket exakt hur du kan styra dessa rörelser genom att kontrollera luftfuktigheten."

Spindelsilke är redan känt för sitt exceptionella styrka / viktförhållande, dess flexibilitet, och dess seghet, eller motståndskraft. Ett antal team runt om i världen arbetar med att replikera dessa egenskaper i en syntetisk version av den proteinbaserade fibern.

Medan syftet med denna vridningskraft, ur spindelns synvinkel, är okänt, forskare tror att superkontraktionen som svar på fukt kan vara ett sätt att se till att en väv dras tätt som svar på morgondag, kanske skyddar den från skador och maximerar dess lyhördhet för vibrationer för att spindeln ska känna sitt byte.

"Vi har inte funnit någon biologisk betydelse" för den vridande rörelsen, Säger Buehler. Men genom en kombination av laboratorieexperiment och molekylär modellering med dator, de har kunnat avgöra hur vridningsmekanismen fungerar. Det visar sig vara baserat på vikningen av en viss typ av proteinbyggsten, kallas prolin.

Att undersöka att den underliggande mekanismen krävde detaljerad molekylär modellering, som utfördes av Tarakanova och Hsu. "Vi försökte hitta en molekylär mekanism för vad våra medarbetare hittade i labbet, "Hsu förklarar." Och vi hittade faktiskt en potentiell mekanism, "baserat på prolinen. De visade att med just denna prolinstruktur på plats, vridningen inträffade alltid i simuleringarna, men utan det var det ingen vridning.

"Spider dragline silke är en proteinfiber, "Liu förklarar." Den består av två huvudproteiner, kallas MaSp1 och MaSp2. "Prolinen, avgörande för vridningsreaktionen, finns inom MaSp2, och när vattenmolekyler interagerar med det stör de dess vätebindningar på ett asymmetriskt sätt som orsakar rotationen. Rotationen går bara i en riktning, och det sker vid en tröskel på cirka 70 procent relativ luftfuktighet.

"Proteinet har en rotationssymmetri inbyggd, "Säger Buehler. Och genom sin vridningskraft, det möjliggör "en helt ny klass av material". Nu när denna fastighet har hittats, han föreslår, kanske kan det replikeras i ett syntetiskt material. "Kanske kan vi göra ett nytt polymermaterial som skulle replikera detta beteende, "Säger Buehler.

"Silks unika benägenhet att genomgå superkontraktion och uppvisa ett vridningsbeteende som svar på yttre utlösare som fukt kan utnyttjas för att designa lyhörda sidenbaserade material som kan justeras exakt i nanoskala, "säger Tarakanova, som nu är biträdande professor vid University of Connecticut. "Potentiella applikationer är olika:från fuktdrivna mjuka robotar och sensorer, till smarta textilier och gröna energigeneratorer. "

Det kan också visa sig att andra naturmaterial uppvisar denna egendom, men i så fall har detta inte märkts. "Den här typen av vridrörelser kan hittas i andra material som vi inte har tittat på ännu, "Säger Buehler. Förutom möjliga konstgjorda muskler, fyndet kan också leda till exakta sensorer för luftfuktighet.