Popeye maakte spinazie beroemd als een spieropbouwende groente. Maar groenten kunnen je op een dag sterker maken zonder te worden opgegeten - wanneer wetenschappers ze gebruiken om een nieuwe klasse kunstmatige spieren te bouwen. Deze week onthulde een team in Taiwan vergulde uiencellen die veelbelovend zijn in het uitbreiden, samentrekken en buigen in verschillende richtingen, net als echt spierweefsel.
gerelateerde inhoud
- Deze ui laat je nooit huilen
- Deze robot heeft betere spieren dan jij
Kunstmatige spieren hebben een breed scala aan mogelijke toepassingen, van het helpen van gewonde mensen tot het aandrijven van robots, en er zijn veel manieren om te proberen ze te bouwen. Vorig jaar ontwikkelden wetenschappers bijvoorbeeld een set kunstmatige spieren van een eenvoudige vislijn die 100 keer meer kon tillen dan menselijke spieren van dezelfde grootte en hetzelfde gewicht. Maar er is nog geen duidelijk superieure manier om een nepspier te maken.
"Er zijn kunstmatige spieren ontwikkeld met behulp van elastomeren, legeringen met vormgeheugen, piëzo-elektrische composieten, iongeleidende polymeren en koolstofnanobuisjes", zegt Wen-Pin Shih van de Nationale Universiteit van Taiwan in Taipei. "De aandrijfmechanismen en functies zijn zeer divers." Sommige kunstmatige spiertypen worden aangedreven door druk, zoals in pneumatische systemen, terwijl anderen beweging veroorzaken door temperatuurveranderingen of elektrische stroom.
Een grote uitdaging voor kunstmatige spiermakers is het ontwikkelen van hun materialen om tegelijkertijd te buigen en samen te trekken, zoals echte spieren doen. Wanneer iemand de klassieke houding "spier maken" buigt, bijvoorbeeld, trekt zijn biceps samen maar buigt hij ook omhoog om de onderarm op te tillen. Shih en collega's probeerden een kunstmatige spier te construeren die tegelijkertijd op deze manier kon buigen en samentrekken, en ze ontdekten dat de structuur en afmetingen van de uienschil erg vergelijkbaar waren met de microstructuur die ze in gedachten hadden.
Om de scherpe groente op de proef te stellen, nam de groep van Shih eerst een enkele laag epidermale cellen van een verse, gepelde ui en waste deze schoon met water. Vervolgens bevriest het team de ui om het water te verwijderen terwijl de celwanden intact blijven. Dat proces maakte de microstructuur stijf en bros, dus behandelden ze de ui met zuur om een celverstijvend eiwit genaamd hemicellulose te verwijderen en de elasticiteit te herstellen.
De uienlagen werden gemaakt om als spieren te bewegen door ze in een elektrostatische actuator te veranderen. Dit betekende dat ze werden bedekt met goudelektroden, die stroom geleiden. Het goud werd aangebracht in twee diktes - 24 nanometer bovenaan en 50 nanometer onderaan - om verschillende buigstijfheden te creëren en de cellen op een levensechte manier te laten buigen en strekken. Dit ging mooi samen met de natuurlijke neiging van uienschil om in verschillende richtingen te buigen bij blootstelling aan verschillende spanningen als gevolg van elektrostatische aantrekking.
Het team maakte spierachtige "pincetten" van uienhuidcellen. (Shih Lab, Nationale Universiteit van Taiwan) Lagere spanningen van 0 tot 50 volt zorgden ervoor dat de cellen langer werden en afvlakten van hun oorspronkelijke gebogen structuur, terwijl hogere spanningen van 50 tot 1000 volt ervoor zorgden dat de vegetarische spier samentrok en naar boven kromde. Door deze spanningen te regelen om spierbewegingen te variëren, werden twee van de uienarrangementen gebruikt als pincet om een kleine katoenen bal vast te pakken, melden Shih en collega's deze week in Applied Physics Letters .
Maar dat succes vereiste relatief hoge spanning, wat Shih het belangrijkste nadeel van het concept tot nu toe noemt. Lagere spanningen zijn nodig om de spier te regelen met kleine batterijen of microprocessorcomponenten, die beter geschikt zijn voor elektrische implantaten of robotonderdelen. "We zullen de configuratie en mechanische eigenschappen van de celwanden beter moeten begrijpen om deze uitdaging aan te gaan", merkt hij op.
De uiencellen bieden enkele voordelen ten opzichte van eerdere pogingen om levende spiercellen te gebruiken om kunstmatig weefsel te creëren, zegt Shih. "Het cultiveren van cellen om een stuk spierweefsel te vormen voor het genereren van trekkracht is nog steeds een hele uitdaging", zegt Shih. “Mensen hebben eerder geprobeerd levende spieren te gebruiken. Maar dan hoe de spiercellen in leven te houden wordt een probleem. We gebruiken plantaardige cellen omdat de celwanden spierkracht bieden, of de cellen nu leven of niet. ”
Duurzaamheid is echter een probleem: het vergulden hielp de uienspieren te beschermen, maar vocht kan nog steeds in hun celwanden doordringen en de materiaaleigenschappen veranderen. Shih heeft een idee om dit probleem aan te pakken, dat binnenkort op de proef kan worden gesteld. "We kunnen de kunstmatige uienspier bekleden met een zeer dunne fluoridelaag, " zegt hij. "Dat maakt de kunstmatige spier ondoordringbaar voor vocht, maar verandert de zachtheid van het apparaat niet."
