Popeye gjorde spinat berømt som en muskelbyggende grøntsag. Men veggies kan en dag gøre dig stærkere uden at blive spist - når forskere bruger dem til at opbygge en ny klasse af kunstige muskler. Denne uge afslørede et team i Taiwan guldbelagte løgceller, der viser løfte om at udvide, samle sig og bøje i forskellige retninger ligesom rigtigt muskelvæv.
Relateret indhold
- Denne løg får dig aldrig til at græde
- Denne robot har bedre muskler end du gør
Kunstige muskler har en lang række mulige anvendelser, lige fra at hjælpe sårede mennesker til at drive robotter, og der er mange måder at prøve at bygge dem på. Sidste år udviklede forskere for eksempel et sæt kunstige muskler fra en simpel fiskerilinje, der kunne løfte 100 gange mere end menneskelige muskler af samme størrelse og vægt. Men der er endnu ikke kommet nogen klart overlegen måde at lave en falsk muskel på.
"Der er kunstige muskler udviklet ved hjælp af elastomerer, formhukommelseslegeringer, piezoelektriske kompositter, ionledende polymerer og carbon nanorør, " siger Wen-Pin Shih fra National Taiwan University i Taipei. ”Køremekanismerne og funktionerne er meget forskellige.” Nogle kunstige muskeltyper drives af tryk, f.eks. I pneumatiske systemer, mens andre skaber bevægelse gennem temperaturændringer eller elektrisk strøm.
En stor udfordring for kunstige muskelproducenter har været at konstruere deres materialer til at bøje og trække sig sammen på samme tid, som rigtige muskler gør. Når nogen bøjer den klassiske "lave en muskel" -pose, for eksempel, samles deres biceps, men bøjes også opad for at løfte underarmen. Shih og kolleger forsøgte at konstruere en kunstig muskel, der samtidig kunne bøjes og sammentrykkes på denne måde, og de fandt, at strukturen og dimensioner af løghud var meget lig den mikrostruktur, de havde i tankerne.
For at sætte den skarpe grøntsag på prøve, tog Shihs gruppe først et enkelt lag epidermale celler fra en frisk, skrellet løg og vaskede den rent med vand. Derefter frysetørrede teamet løgen for at fjerne vandet, mens dets cellevægge blev intakt. Denne proces gjorde mikrostrukturen stiv og sprød, så de behandlede løgen med syre for at fjerne et celle-afstivende protein kaldet hemicellulose og gendanne elasticitet.
Løglagene fik til at bevæge sig som muskler ved at omdanne dem til en elektrostatisk aktuator. Dette betød at belægge dem med guldelektroder, der leder strøm. Guldet blev påført i to tykkelser - 24 nanometer på toppen og 50 nanometer på bunden - for at skabe forskellige bøjningsstivheder og få cellerne til at bøje og strække sig på naturtro måder. Dette parret fint sammen med løghudens naturlige tendens til at bøje i forskellige retninger, når de udsættes for forskellige spændinger på grund af elektrostatisk tiltrækning.
Holdet lavede muskellignende "pincet" fra løghudceller. (Shih Lab, National Taiwan University) Lavere spændinger på 0 til 50 volt fik cellerne til at forlænges og udflades fra deres oprindelige buede struktur, mens højere spændinger på 50 til 1000 volt fik den veggie muskel til at sammentrække og bøje sig opad. Ved at kontrollere disse spændinger for at variere muskelbevægelser, blev to af løgarrangementerne brugt som pincet til at gribe en lille bomuldskugle, rapporterer Shih og kolleger denne uge i Applied Physics Letters .
Men denne succes krævede relativt høj spænding, hvilket Shih kalder konceptets største ulempe til dato. Lavere spændinger er nødvendige for at kontrollere musklerne med små batterier eller mikroprocessorkomponenter, hvilket ville være bedre egnet til kraftimplantater eller robotdele. ”Vi bliver nødt til at forstå konfigurationen og de mekaniske egenskaber af cellevæggene bedre for at overvinde denne udfordring, ” bemærker han.
Løgcellerne giver nogle fordele i forhold til tidligere forsøg på at bruge levende muskelceller til at skabe kunstigt væv, siger Shih. ”At dyrke celler til at danne et stykke muskelvæv til generering af trækstyrke er stadig meget udfordrende, ” siger Shih. ”Folk har forsøgt at bruge levende muskler før. Men så bliver det et problem, hvordan man holder muskelcellerne i live. Vi bruger vegetabilske celler, fordi cellevæggene giver muskelstyrke, uanset om cellerne er i live eller ikke. ”
Holdbarhed er dog et emne: Guldbelægningen hjalp med at afskærme løgmusklene, men fugt kan stadig trænge igennem deres cellevægge og ændre materialegenskaberne. Shih har en idé til at tackle dette problem, som snart kan sættes på prøve. ”Vi belægger måske løgens kunstige muskel med et meget tyndt fluorlag, ” siger han. "Det vil gøre den kunstige muskel uigennemtrængelig for fugt, men ændrer ikke enhedens blødhed."
