Силата на зеленчуците. Изкуствени мускули от позлатен лук

Превръщането на зеленчуци в работещи мускули изисква злато, електричество и… въображение.

Попай прави спанака известен като зеленчук за правене на мускули. Но зеленчуците може някой ден да ни правят по-силни, без дори да ги ядем – учените ги използват, за да направят нов вид изкуствени мускули.

Тази седмица екип от Тайван показа позлатени лукови клетки, които могат да се разширяват, свиват и огъват в различни посоки точно като истински мускули, пише Smithsonian.com.

Изкуствените мускули имат голям набор от възможни приложения, от помагане на пострадали хора до задвижване на роботи, а начините за направата им са много. Например миналата година учени разработиха комплект мускули от проста рибарска корда, които могат да вдигат 100 пъти повече от човешки мускули със същите размери и тегло.

„Има разработени изкуствени мускули чрез употребата на еластомери, пиезоелектрични смеси, йонопроводящи полимери, карбонови нанотръби и запомнящи формата си сплави“, казва Уен-Пин Ших от Националния тайвански университет в Тайпе. „Задвижващите механизми и функциите им са много различни.“ Някои видове изкуствени мускули се задвижват с налягане (пневматични системи), а други създават движение чрез температурни промени  или електрически потоци.

Голямо предизвикателство за инженерите на изкуствени мускули е изработването на материалите, така че да се свиват и огъват едновременно като истински мускули. Когато някой стяга бицепса си, той се свива но и се огъва нагоре, за да повдигне предмишницата. Ших и колегите му опитвали да изградят изкуствени мускули, които да могат да правят и двете неща едновременно и открили, че структурата на люспите на лука е много подобна на микроструктурата, която те имали като идея.

За да тества този лют зеленчук, екипът първо взел единичен слой от епидермисните клетки на свеж, обелен зеленчук и го измили с вода. Изследователите след това изсушили лука със замразяване, за да премахнат вода, без да повреждат клетките. Процесът направил микроструктурата твърда и чуплива и затова третирали лука с киселина, за да се премахне втвърдяващ клетките протеин, наречен хемицелулоза, с цел връщане на еластичността.

Люспите могат да се движат като мускули след превръщането им в електростатични активатори. Това означавало облицоване със златни електроди, които провеждат ток. Златото е поставено на два слоя с различна дебелина – 24 нанометра отгоре и 50 нанометра отдолу, за да се създаде различна податливост към огъване и клетките да се свиват и разтягат както при истинските мускули. Това съвпаднало удобно с естествената наклонност на люспите на лука да се извиват в различни посоки, когато са подложени на различни волтажи, причинени от електростатично привличане.

Нисък волтаж от порядъка на 0 до 50 волта кара клетките да се издължават и изглаждат, а високо напрежение от 50 до 1000 волта ги кара да се свиват и огъват нагоре. Ших и колегите му разкриват пред Applied Physics Letters, че чрез контролиране на напрежението две конструкции от лукови клетки са били използвани като пинсети за хващането на малко топче от памук.

Екипът създал подобни на мускули пинсети от клетки на лук.
© Shih Lab, National Taiwan University

Но за този успех се изисквало относително високо напрежение, което е и единственият недостатък на концепцията според Ших. Ниският волтаж се набавя от малки батерии или микропроцесорни компоненти, което би било по-удобно за задвижване на човешки импланти или роботи. „За да преодолеем това предизвикателство, трябва да разберем по-добре конфигурацията и механичните свойства на стените на клетките“, отбелязва той.

Клетките на лука имат някои предимства пред предишни опити за използване на живи мускулни клетки в създаването на изкуствена тъкан. „Култивирането на клетки за построяване на мускулна тъкан, която да има сила на издърпване, е все още доста трудно. Хората са се опитвали да използват живи мускули и преди. Но тогава проблемът е как тези клетки да се запазят живи. Ние използваме клетки на зеленчуци, защото клетъчните стени предоставят мускулна сила, без значение дали клетките са живи, или не“, изяснява Ших.

За съжаление издръжливостта е проблем. Златната облицовка помогнала за предпазването на луковите мускули, но влажността все още може да проникне в клетките и да промени свойствата на материалите. Ших има идея как да се справи с тази трудност и тя скоро може да бъде тествана.

„Може да облицоваме мускулите с много тънък слой флуор. Това ще направи клетките непромокаеми, но няма да промени мекотата на изходния продукт“, казва Ших.