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    La soie de dragline d'araignée comme actionneur de torsion entraînée par l'humidité pour des applications comme muscle artificiel

    Dans l'étude, Liu et al. des soies de dragline usagées de l'espèce d'araignée illustrée Nephila eduli, Nephila pilipes et Argiope versicolor. Crédit image :Spider ID (spiderid.com/pictures/?fwp_attributes=webs) Crédit : Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aau9183

    La soie d'araignée est un biopolymère auto-assemblant avec des liaisons hydrogène sous-jacentes à sa structure chimique, pourtant, malgré une faible liaison chimique, il surpasse la plupart des matériaux par rapport aux performances mécaniques. Le biopolymère est produit à partir de la glande ampoule majeure de l'araignée et est une fibre extraordinaire qui peut surpasser la plupart des matériaux synthétiques en termes de résistance mécanique en équilibrant résistance et extension/flexibilité. Les propriétés de la soie de dragline d'araignée comprennent une conductivité thermique élevée, dynamique de torsion particulière et potentiel de propagation exceptionnelle des vibrations. Pour ajouter plus de distinction à la fibre naturelle, la soie de dragline d'araignée affiche un effet de mémoire de forme géant lors de l'exposition à l'eau; dans un effet connu sous le nom de surcontraction. Les propriétés uniques et remarquables de la soie de dragline d'araignée sont attribuées à sa structure hiérarchique et à sa morphologie.

    Dans une étude récente, maintenant publié dans Avancées scientifiques , Dabiao Liu et ses collègues des domaines de recherche multidisciplinaire de l'ingénierie, la physique, mécanique moléculaire, génie biomédical et sciences de la vie, rapport sur la nouvelle caractéristique du comportement de torsion induit par l'humidité de la soie d'araignée. Ils ont démontré l'impact de la soie de dragline d'araignée et les origines structurelles possibles de la réponse de torsion dans l'étude avec le potentiel de concevoir une « toute nouvelle classe de matériaux ». Comprendre la relation structure-propriété de la soie d'araignée peut profiter aux scientifiques des matériaux en fournissant une impression de la nature physique précise du biopolymère. De nouveaux biomatériaux basés sur les propriétés mécaniques importantes de la soie d'araignée peuvent être conçus pour traduire la relation structure-propriété du matériau en applications pratiques.

    Le matériau en soie de la dragline d'araignée est sensible à l'eau et peut rétrécir jusqu'à cinquante pour cent de sa longueur avec un gonflement radial. L'eau peut perturber les liaisons hydrogène à une humidité élevée pour réarranger les molécules nanocristallines dans des configurations énergétiques inférieures, entraînant une surcontraction. En sciences appliquées et en ingénierie, la surcontraction peut trouver des applications originales comme muscles artificiels ou actionneurs de traction. Par exemple, la soie d'araignée de Nephila clavipes et d'Ornithoctonus huwena peut présenter un comportement d'étirement par rétrécissement reproductible en raison de l'eau et de l'humidité, permettant la levée de poids cyclique de se produire. Des exemples récents de telles applications incluent des muscles artificiels en torsion avec des polymères synthétiques, nanotubes de carbone et fibres de graphène.

    Schéma de principe de l'appareil utilisé pour mesurer l'actionnement en torsion des soies ou d'autres fibres entraîné par l'humidité relative (HR). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9183

    Bien que des études antérieures aient étudié les propriétés de torsion de la soie des draglines araignées, L'origine structurelle de son comportement en torsion reste à explorer en profondeur. Dans ce travail, Liu et al. observé le comportement unique de la soie de dragline d'araignée par rapport aux fibres témoins telles que la soie Bombyx mori, Fibre de Kevlar et cheveux humains. Les scientifiques ont conçu les expériences pour révéler la réponse personnelle progressive de la soie de dragline à l'augmentation de l'humidité. Ils ont mené des simulations atomistiques des protéines à deux composants MaSp1 et MaSp2 pour comprendre le mécanisme du comportement de torsion structurelle au niveau de la molécule. Ils ont ensuite proposé une relation possible entre la déformation de torsion observée entraînée par l'humidité et la structure moléculaire de la soie de dragline.

    Liu et al. soies de dragline usagées de Nephila pilipes, Les espèces d'araignées Nephila eduli et Argiope versicolor en reproduisant avec succès une méthode précédente de collecte d'échantillons de soie. Ils ont utilisé un appareil basé sur le traitement d'images pour étudier l'actionnement en torsion des fibres minces dû à l'humidité. Dans le montage expérimental, les scientifiques ont utilisé un pendule de torsion constitué d'une seule fibre enfermée dans une armoire humide et ont enregistré le mouvement du pendule à l'aide d'une caméra vidéo tout en augmentant ou en diminuant l'humidité relative (HR). Ils ont conçu deux protocoles différents pour comprendre la réponse des soies de dragline d'araignée au changement d'humidité; un protocole a augmenté l'HR progressivement pour maintenir des valeurs élevées pendant une longue période de temps. Dans la deuxième méthode, ils ont cycliquement changé l'HR de 40 à 100 pour cent et sont revenus à 40 pour cent cinq fois.

    À gauche :images SEM des fibres et des réponses au stimulus d'humidité environnementale. (A) soie B. mori (7,7 ± 0,3 um de diamètre). (B) Cheveux humains (68,7 ± 2,5 m de diamètre). (C) Fibre de Kevlar (10,7 ± 0,2 µm de diamètre). (D) Réponses en torsion des fibres représentatives à l'humidité ambiante :fibre de soie B. mori (65,1 mm de longueur), cheveux humains (69,5 mm de longueur), et fibre de Kevlar (86,9 mm de longueur). Une torsion négligeable entraînée par l'humidité peut être observée dans ces fibres. À droite :Actionnement en torsion des soies de dragline d'araignée en augmentant l'HR de 40 à 100 %. (A) Actionnement en torsion de la soie de dragline d'araignée de N. pilipes (121 mm de longueur, 3,1 ± 0,1 µm de diamètre). (B) Vitesse de rotation (ligne bleue) et accélération angulaire (ligne rouge) de l'actionnement en torsion de la soie de dragline d'araignée de N. pilipes. (C) Actionnement en torsion d'A. versicolor spider dragline soie (87,9 mm de longueur, 6,7 ± 0,1 µm de diamètre). (D) La vitesse de rotation (ligne bleue) et l'accélération angulaire (ligne rouge) de la soie de dragline d'araignée A. versicolor. L'encart montre les images SEM de soies représentatives. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9183

    En utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB), les scientifiques ont d'abord caractérisé la morphologie et la structure des soies d'araignées. Ils ont effectué des tests de dépistage sur trois fibres témoins; B. mori soie, cheveux humains et fibre de Kevlar. Les expériences ont révélé les réponses en torsion des fibres représentatives à l'humidité ambiante. Ils ont ensuite observé les contractions/relaxations cycliques induites par l'humidité de la soie des traîneaux de différentes espèces d'araignées pour comprendre l'actionnement de torsion induit par l'humidité dans la soie des traîneaux. Après les essais, la surface de la soie de la dragline est devenue plus rugueuse qu'au stade initial. La soie de dragline d'araignée de N. pilipes a atteint une déformation en torsion d'environ 255 0 /mm dans une direction, une valeur supérieure à celle générée par les muscles artificiels en nanotubes de carbone (250 0 /mm) alimenté en électricité. La valeur était également 1000 fois supérieure à celles rapportées pour d'autres actionneurs basés sur un alliage à mémoire de forme et des polymères conducteurs avec une capacité de déformation par torsion. Pour la soie dragline A. versicolor, l'actionnement de torsion a commencé à 70 % HR, cette valeur était inférieure à celle de la soie de dragline de N. pilipes mais tout de même comparable aux muscles à nanotubes de carbone.

    Actionnement en torsion des soies de dragline à RH changeant cycliquement de ~40 à ~100%. (A) soie dragline N. pilipes (98 mm de longueur, 3,1 ± 0,1 µm de diamètre). (B) A. versicolor soie dragline (87,9 mm de longueur, 6,7 ± 0,1 µm de diamètre). (C) soie dragline N. edulis (82 mm de longueur, 2,8 ± 0,1 µm de diamètre). Les lignes pointillées horizontales indiquent les seuils d'HR pour déclencher la torsion. Les lignes pointillées verticales indiquent le début et la fin de la torsion induite. Notez que le sens de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre observé de haut en bas de la palette est cohérent pour tous les échantillons de soie. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9183

    Liu et al. puis comparé les résultats du deuxième protocole de changements d'humidité cyclique dans lequel la soie de la dragline araignée a montré une réponse en torsion sensible à l'humidité, fournissant une méthode pour contrôler la déformation de torsion. Au fur et à mesure que le nombre de cycles d'HR augmente, la vitesse de torsion et l'accélération angulaire de la soie de dragline ont diminué, indiquant que la déformation en torsion atteignait un état de saturation. Les scientifiques ont noté que toutes les soies s'allongeaient d'environ 5 à 10 pour cent après chaque test.

    Étant donné que la torsion induite par l'humidité est une caractéristique unique de la soie de dragline d'araignée, les scientifiques ont étudié la structure moléculaire et la morphologie du matériau pour révéler le mécanisme sous-jacent de ce comportement. Ils ont également analysé les structures secondaires spécifiques et l'organisation structurelle hiérarchique de la molécule. Liu et al. ont montré que la présence de proline dans la protéine MaSp2 produisait une torsion unidirectionnelle plus prononcée à l'échelle de la molécule unique. Les scientifiques ont donc supposé que l'orientation de l'anneau de proline linéaire strié pouvait avoir forcé la molécule dans un motif tordu. En utilisant des protocoles de simulation moléculaire au niveau des protéines, ils ont expliqué le comportement de transition vitreuse observé de la soie d'araignée à une HR élevée.

    Mécanismes de torsion induite par l'humidité dans les soies de dragline au niveau moléculaire. (A) Courbe de déplacement angulaire représentative pour MaSp2, montrant des angles cohérents et négatifs descendant les brins, ce qui correspond à une torsion dans le sens des aiguilles d'une montre. L'encart montre le modèle moléculaire de MaSp2. (B) Courbe de déplacement angulaire représentative pour MaSp1, montrant une alternance d'angles positifs et négatifs. L'encart montre le modèle moléculaire de MaSp1. (C) Densité de liaison hydrogène mise à l'échelle par le nombre de ces résidus présents dans la séquence MaSp2. La proline présente la plus faible densité de liaisons hydrogène par rapport aux autres résidus. (D) Liaisons hydrogène (en bleu) dans un rayon de 3 Å autour (i) de la glutamine (Gln), (ii) la glycine (Gly), et (iii) la proline (Pro). (E) Densité de liaison hydrogène mise à l'échelle par longueur moléculaire de bout en bout dans un rayon de 3 Å autour des acides aminés Glu, Gly, Ser, Tyr, et tous les acides aminés dans les séquences MaSp1 et MaSp2. (F) Liaisons hydrogène indiquées en bleu dans les molécules (i) MaSp1 et (ii) MaSp2. (G) Contenu de la structure secondaire dans MaSp1 et MaSp2. (H) L'emplacement des résidus de proline (avec des anneaux de proline indiqués en rouge) dans MaSp2 représente un strié, orientation de l'anneau linéaire. Le panneau agrandi montre des lignes de guidage en pointillés représentatives de l'orientation de l'anneau de proline linéaire. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9183

    De cette façon, Liu et al. a montré que la soie de dragline d'araignée peut générer une énorme torsion (jusqu'à 255 0 /mm pour N. pilipes et 127 0 /mm pour les soies de dragline d'araignée A. versicolor) sous 70 pour cent d'HR. Les scientifiques ont montré que l'actionnement en torsion du matériau pouvait être contrôlé simplement en ajustant le niveau de l'HR. La puissance observée générée dans la soie de dragline n'était pas passive mais un changement d'état actif en réponse à la force motrice de l'humidité. La torsion induite par l'humidité a transformé la soie de la dragline pour qu'elle agisse comme un actionneur de torsion. Ces résultats de recherche auront des applications dans le développement de robots mous pilotés par l'humidité, de nouveaux capteurs d'humidité précise, textiles intelligents ou appareils à énergie verte.

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