Popeye gjorde spinat berømt som en muskelbyggende grønnsak. Men grønnsaker kan en dag gjøre deg sterkere uten å bli spist — når forskere bruker dem til å bygge en ny klasse av kunstige muskler. Denne uken avslørte et team i Taiwan gullbelagte løkceller som viser løfte om å utvide, trekke seg sammen og bøye seg i forskjellige retninger akkurat som ekte muskelvev.
Relatert innhold
- Denne løken vil aldri få deg til å gråte
- Denne roboten har bedre muskler enn du gjør
Kunstige muskler har et bredt spekter av mulige bruksområder, fra å hjelpe skadde mennesker til å drive roboter, og det er mange måter å prøve å bygge dem på. I fjor utviklet for eksempel forskere et sett med kunstige muskler fra enkel fiskelinje som kunne løfte 100 ganger mer enn menneskelige muskler i samme størrelse og vekt. Men ingen tydelig overlegen måte å lage en falsk muskel har ennå dukket opp.
"Det er kunstige muskler som er utviklet ved bruk av elastomerer, formminnede legeringer, piezoelektriske kompositter, ioneledende polymerer og karbon nanorør, " sier Wen-Pin Shih fra National Taiwan University i Taipei. "Kjøremekanismene og funksjonene er veldig forskjellige." Noen kunstige muskeltyper drives av trykk, for eksempel i pneumatiske systemer, mens andre skaper bevegelse gjennom temperaturendringer eller elektrisk strøm.
En stor utfordring for kunstige muskelprodusenter har vært å konstruere materialene sine til å bøye og trekke seg sammen på samme måte, slik ekte muskler gjør. Når noen bøyer den klassiske "lage en muskel" -posisjonen, for eksempel, trekker bicepsen seg, men bøyer seg også oppover for å løfte underarmen. Shih og kollegene prøvde å konstruere en kunstig muskel som samtidig kunne bøye og trekke seg sammen på denne måten, og de fant ut at strukturen og dimensjonene til løkhuden var veldig lik mikrostrukturen de hadde i tankene.
For å sette den skarpe grønnsaken på prøve, tok Shihs gruppe først et enkelt lag epidermale celler fra en fersk, skrellet løk og vasket den rent med vann. Deretter frysetørket teamet løken for å fjerne vannet mens de forlot celleveggene sine. Den prosessen gjorde mikrostrukturen stiv og sprø, slik at de behandlet løken med syre for å fjerne et celle-avstivende protein kalt hemicellulose og gjenopprette elastisitet.
Løklagene ble gjort for å bevege seg som muskler ved å gjøre dem om til en elektrostatisk aktuator. Dette betydde å belegge dem med gullelektroder, som leder strøm. Gullet ble påført i to tykkelser - 24 nanometer på toppen og 50 nanometer på bunnen - for å skape forskjellige bøyestivheter og få cellene til å bøye seg og strekke seg på naturtro måter. Dette koblet fint sammen med den naturlige tendensen til løkhud å bøye seg i forskjellige retninger når de utsettes for forskjellige spenninger på grunn av elektrostatisk tiltrekning.
Teamet laget muskellignende "pinsett" fra løkhudceller. (Shih Lab, National Taiwan University) Lavere spenninger på 0 til 50 volt fikk celler til å forlenge og flate ut fra sin opprinnelige buede struktur, mens høyere spenninger på 50 til 1000 volt fikk veggie-muskelen til å trekke seg sammen og bøye seg oppover. Ved å kontrollere disse spenningene for å variere muskelbevegelser, ble to av løkarrangementene brukt som pinsett for å gripe en liten bomullskule, rapporterer Shih og kollegene denne uken i Applied Physics Letters .
Men den suksessen krevde relativt høy spenning, noe Shih kaller konseptets viktigste ulempe til dags. Lavere spenninger er nødvendig for å kontrollere muskelen med bittesmå batterier eller mikroprosessorkomponenter, noe som vil være bedre egnet til kraftimplantater eller robotdeler. "Vi må forstå konfigurasjonen og de mekaniske egenskapene til celleveggene bedre for å overvinne denne utfordringen, " konstaterer han.
Løkcellene gir noen fordeler i forhold til tidligere forsøk på å bruke levende muskelceller for å lage kunstig vev, sier Shih. "Å dyrke celler for å danne et stykke muskelvev for å generere trekkstyrke er fremdeles veldig utfordrende, " sier Shih. - Folk har prøvd å bruke levende muskler før. Men da blir det et problem hvordan du holder muskelcellene i live. Vi bruker vegetabilske celler fordi celleveggene gir muskelstyrke uansett om cellene er i live eller ikke. ”
Holdbarhet er imidlertid et problem: Gullbelegget var med på å beskytte løkkmusklene, men fuktighet kan fortsatt trenge gjennom celleveggene og endre materialegenskapene. Shih har en ide om å takle dette problemet, som snart kan settes på prøve. "Vi kan belegge den løk kunstige muskelen med et veldig tynt fluorlag, " sier han. "Det vil gjøre den kunstige muskelen ugjennomtrengelig for fuktighet, men vil ikke endre enhetens mykhet."
