3月1日，華中科技大學土木學院力學系劉大彪課題組在美國科學促進會（AAAS）出版的《科學》（Science）子刊《科學?進展》（Science Advances）上發表了題為“蜘蛛絲用作濕度驅動的扭轉致動器”（Spider dragline silk as torsional actuator driven by humidity）的研究論文。劉大彪博士為論文第一作者和共同通訊作者，何玉明教授指導了該項研究，碩士生鄭詩敏、本科生余淼和余龍騰參與了該項研究。論文的合作者還包括：美國麻省理工學院Markus J. Buehler教授（共同通訊）、Anna Tarakanova博士、英國倫敦瑪麗女王大學D. J. Dunstan教授和湖北大學劉杰教授。
蜘蛛絲是由蜘蛛的腺體分泌的一種生物蛋白質纖維，因其具有其優異的力學性能、精巧的分級結構和潛在的應用前景，受到了國內外學者的廣泛關注。蜘蛛在其生命歷程中，會因生存需要或外界刺激產生多種性能和功能不同的絲，其中以大壺狀腺絲力學性能最為優越，有“生物鋼”之稱。此前研究顯示這種大壺狀腺絲對水敏感，具有“超收縮”（supercontraction）性能，當相對濕度達到一定水平時，其可在長度方向上收縮約50%。蜘蛛絲的超收縮性能使其在人造肌肉或拉伸驅動器領域具有潛在的應用價值。但是，目前尚不清楚濕度會如何影響蜘蛛絲的扭轉變形行為。
該團隊研究表明，當相對濕度達到約70%時，蜘蛛大壺狀腺絲開始產生超過每毫米300度的扭轉變形。通過調節相對濕度，研究人員可精確控制蜘蛛絲的扭轉變形，這一特性在蠶絲、頭發絲和凱夫拉等纖維中未被發現。隨后，他們基于蜘蛛絲的分子結構對該現象的物理機制進行了闡釋。這種蛛絲主要由MaSp1和MaSp2蛋白組成，后者含有大量脯氨酸環，遇到水分子發生反應后脯氨酸環中的氫鍵以非對稱方式被破壞，從而導致蜘蛛絲朝一個方向扭轉。這一發現可以啟發人們設計出新穎的扭轉驅動器或人造肌肉，并有助于開發新型傳感器、智能紡織品或綠色能源設備。
濕度控制的蜘蛛絲扭轉變形現象
濕度控制的蜘蛛絲扭轉變形現象
著名生物物理學家、美國威斯康星大學麥迪遜分校教授Pupa Gilbert評價說，“這是一個奇妙的發現，因為作者觀察到蜘蛛絲的扭轉是巨大的。這種蛛絲就像一根繩子，隨空氣濕度變化而不斷扭轉，這種具備特殊性能的分子機制可用來制造由濕度驅動的軟體機器人或智能面料。”
著名固體力學家、美國工程院院士、美國西北大學黃永剛教授評價該工作“利用蜘蛛絲對濕度的高度敏感性，證明了蜘蛛絲可以被制作為非常精確的扭轉驅動器。這是一個新穎的概念，它可能在電子、生物醫學等多個領域得到應用，例如，制作吸濕人工肌肉和濕度傳感器等。”黃永剛教授認為“該工作結合了分子模擬、實驗驗證和深入的分析，從而將化學鍵基本變化與宏觀現象聯系起來。從基礎科學的角度講，這是至關重要的，同時對于應用也是令人興奮的。”
以上工作得到了國家自然科學基金、中國科協青年人才托舉工程項目、歐盟“瑪麗?斯克沃多夫斯卡?居里”學者獎學金(MSCA-IF)、湖北省自然科學基金以及華中科技大學自主創新基金等項目的資助。
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