自然適應(yīng)不斷變化的環(huán)境的新材料受到海洋蠕蟲顎的強(qiáng)度，穩(wěn)定性和機(jī)械性能的啟發(fā)。蛋白質(zhì)材料由土木與環(huán)境工程系(CEE)的原子與分子力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LAMM)的研究人員設(shè)計(jì)和建模，并與Wright的空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)合作完成。俄亥俄州帕特森空軍基地根據(jù)不斷變化的pH值和離子濃度進(jìn)行擴(kuò)展和收縮。它是通過研究Nereis virens(一種沙蟲)的顎在不同環(huán)境中如何形成和適應(yīng)而開發(fā)的。

由此產(chǎn)生的pH和離子敏感材料能夠響應(yīng)并對其環(huán)境作出反應(yīng)。理解這種自然發(fā)生的過程對于主動控制軟機(jī)器人和傳感器的致動器的運(yùn)動或變形特別有用，而無需使用外部電源或復(fù)雜的電子控制裝置。它也可以用于構(gòu)建自治結(jié)構(gòu)。

“通過從化學(xué)水平開始改變其層次結(jié)構(gòu)，大大改變材料特性的能力為調(diào)整材料提供了令人興奮的新機(jī)會，并為新的工程應(yīng)用建立了天然材料設(shè)計(jì)，”Markus J. Buehler寫道，邁克菲工程學(xué)教授，CEE主任，該論文的高級作者。

最近發(fā)表在ACS Nano上的這項(xiàng)研究表明，根據(jù)環(huán)境中的離子和pH值，蛋白質(zhì)材料會膨脹并收縮成不同的幾何圖案。當(dāng)條件再次變化時，材料恢復(fù)到其原始形狀。這使其特別適用于具有可調(diào)機(jī)械的智能復(fù)合材料和使用pH值和離子條件來改變材料剛度或產(chǎn)生功能變形的自供電機(jī)器人。

在海洋蠕蟲的強(qiáng)壯，穩(wěn)定的下顎中尋找靈感

為了創(chuàng)造可用于軟機(jī)器人，傳感器和其他用途的生物啟發(fā)材料 - 例如受Nereis啟發(fā)的- LAMM和AFRL的工程師和科學(xué)家需要首先了解這些材料如何在Nereis蠕蟲中形成，以及他們最終如何在各種環(huán)境中表現(xiàn)。這種理解涉及從原子水平包含所有不同長度尺度的模型的開發(fā)，并且能夠預(yù)測材料行為。該模型有助于充分了解Nereis蠕蟲及其卓越的強(qiáng)度。

“與AFRL合作使我們有機(jī)會將我們的原子模擬與實(shí)驗(yàn)配對，”CEE研究科學(xué)家Francisco Martin-Martinez說。AFRL實(shí)驗(yàn)合成了一種水凝膠，一種主要由水制成的凝膠狀材料，由重組Nvjp-1蛋白組成，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和Nereis頜的令人印象深刻的機(jī)械性能。水凝膠用于測試蛋白質(zhì)如何收縮并根據(jù)環(huán)境中的pH和離子改變行為。

的沙蠶顎主要是由有機(jī)物質(zhì)，這意味著它是具有類似于明膠的稠度的軟蛋白材料。盡管如此，據(jù)報(bào)道其硬度介于0.4和0.8千兆帕(GPa)之間的強(qiáng)度類似于人類牙本質(zhì)等較硬材料的強(qiáng)度。“非常值得注意的是，這種柔軟的蛋白質(zhì)材料，具有類似于Jell-O的稠度，可以像在人類牙本質(zhì)和骨骼等較硬的材料中發(fā)現(xiàn)的鈣化礦物一樣強(qiáng)烈，”Buehler說。

在麻省理工學(xué)院，研究人員在分子尺度上研究了Nereis頜骨的構(gòu)成，看看是什么讓下顎變得如此強(qiáng)壯和適應(yīng)性。在這種規(guī)模下，金屬配位交聯(lián)，其分子結(jié)構(gòu)中存在金屬，提供了一種分子網(wǎng)絡(luò)，使材料更強(qiáng)，同時使分子鍵更具動態(tài)性，并最終能夠響應(yīng)不斷變化的條件。在宏觀尺度上，這些動態(tài)金屬 - 蛋白質(zhì)鍵導(dǎo)致膨脹/收縮行為。

結(jié)合AFRL的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究和LAMM，Buehler，Martin-Martinez，CEE研究科學(xué)家趙勤和前博士生Chia-Ching '15的分子理解，創(chuàng)建了一個能夠預(yù)測機(jī)械行為的多尺度模型。在各種環(huán)境中含有這種蛋白質(zhì)的材料。“這些原子模擬有助于我們可視化原子排列和分子構(gòu)象，從而奠定了這些材料的機(jī)械性能，”Martin-Martinez說。

具體而言，使用該模型，研究團(tuán)隊(duì)能夠設(shè)計(jì)，測試和可視化不同分子網(wǎng)絡(luò)如何變化并適應(yīng)各種pH水平，同時考慮到生物和機(jī)械特性。

通過觀察Nereis virens的分子和生物組成，并使用所得蛋白質(zhì)材料的力學(xué)行為的預(yù)測模型，LAMM研究人員能夠更全面地了解不同尺度的蛋白質(zhì)材料，并提供對如何全面了解這種蛋白質(zhì)材料在不同的pH設(shè)置下形成和表現(xiàn)。這種理解指導(dǎo)了軟機(jī)器人和傳感器的新材料設(shè)計(jì)。

確定環(huán)境屬性與材料中的運(yùn)動之間的聯(lián)系

預(yù)測模型解釋了pH敏感材料如何改變形狀和行為，研究人員用它來設(shè)計(jì)新的PH變化幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)蛋白質(zhì)材料中測試的原始幾何形狀及其周圍的特性，LAMM研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值發(fā)生變化時，材料會呈螺旋狀或采用Cypraea貝殼狀。這些只是這種新材料可用于開發(fā)軟機(jī)器人，傳感器和自主結(jié)構(gòu)的潛力的一些例子。

使用預(yù)測模型，研究小組發(fā)現(xiàn)材料不僅會改變形態(tài)，而且當(dāng)pH值發(fā)生變化時，它也會恢復(fù)到原來的形狀。在分子水平上，蛋白質(zhì)中存在的組氨酸氨基酸與環(huán)境中的離子強(qiáng)烈結(jié)合。氨基酸和金屬離子之間的這種非常局部的化學(xué)反應(yīng)在較大規(guī)模上對蛋白質(zhì)的整體構(gòu)象有影響。當(dāng)環(huán)境條件改變時，組氨酸 - 金屬相互作用相應(yīng)地改變，這會影響蛋白質(zhì)構(gòu)象，進(jìn)而影響材料反應(yīng)。

“改變pH值或改變離子就像翻轉(zhuǎn)開關(guān)一樣。你打開或關(guān)閉它，取決于你選擇的環(huán)境，水凝膠擴(kuò)大或收縮“馬丁 - 馬丁內(nèi)茲說。

LAMM發(fā)現(xiàn)，在分子水平上，當(dāng)環(huán)境中含有鋅離子和某些pH值時，蛋白質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)會得到加強(qiáng)。這在材料的分子結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生更穩(wěn)定的金屬配位交聯(lián)，這使得分子更具動態(tài)性和柔韌性。

對材料設(shè)計(jì)及其靈活性的深入了解對于pH值變化的環(huán)境非常有用。它將其數(shù)字改變?yōu)楦淖兯岫人降姆磻?yīng)可用于軟機(jī)器人。“大多數(shù)軟機(jī)器人需要電源來驅(qū)動運(yùn)動并由復(fù)雜的電子設(shè)備控制。我們在設(shè)計(jì)多功能材料方面的工作可能為沒有電子設(shè)備直接控制材料特性和變形提供了另一條途徑，“秦說。

通過研究和模擬分子構(gòu)成和主要蛋白質(zhì)的行為，負(fù)責(zé)Nereis顎性能的理想機(jī)械性能，LAMM研究人員能夠?qū)h(huán)境特性與材料中的運(yùn)動聯(lián)系起來，并對其強(qiáng)度有更全面的了解。Nereis下巴。