La tela de araña puede utilizarse como músculo robótico

LIU ET AL., SCI. ADV. 2019; 5 : EAAU9183

   MADRID, 4 Mar. (EUROPA PRESS) -

   La tela de araña, ya conocida como uno de los materiales más fuertes por su peso, parece tener otra propiedad inusual para nuevos tipos de músculos artificiales o actuadores robóticos.

   Según un nuevo estudio, las fibras elásticas responden de manera muy fuerte a los cambios en la humedad: por encima de un cierto nivel de humedad relativa en el aire, de repente se contraen y giran, ejerciendo suficiente fuerza para ser competitivas con otros materiales que se exploran como activadores, dispositivos que se mueven para realizar alguna actividad, como controlar una válvula.

   Los hallazgos se publican en la revista 'Science Advances', en un documento del profesor Markus Buehler, director del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), junto con la ex postdoctoral Anna Tarakanova y la estudiante de pregrado Claire Hsu en el MIT; Dabiao Liu, profesor asociado en la Universidad de Ciencia y Tecnología Huazhong en Wuhan, China; y otros seis científicos.

Los investigadores descubrieron recientemente una propiedad de la tela de araña llamada supercontracción, en la cual las fibras delgadas pueden contraerse repentinamente en respuesta a los cambios en la humedad. El nuevo hallazgo es que los hilos no solo se contraen, sino que también se enroscan al mismo tiempo, lo que proporciona una fuerte fuerza de torsión. "Es un fenómeno nuevo", dice Buehler en un comunicado.

   "Encontramos esto por accidente inicialmente --dice Liu--. Mis colegas y yo queríamos estudiar la influencia de la humedad en la tela de la araña actuando como arrastre". Para hacerlo, suspendieron un peso de la tela para hacer una especie de péndulo y lo encerraron en una cámara donde podían controlar la humedad relativa en su interior. Cuando aumentamos la humedad, el péndulo comenzó a rotar. Estaba fuera de nuestras expectativas. Realmente me sorprendió".

   El equipo probó una serie de otros materiales, incluido el cabello humano, pero no encontró movimientos de torsión en los otros que probaron y Liu dice que comenzó a pensar de inmediato que este fenómeno "podría usarse para los músculos artificiales". "Esto podría ser muy interesante para la comunidad robótica", afirma Buehler, como una nueva forma de controlar ciertos tipos de sensores o dispositivos de control. "Es muy preciso en cómo puedes controlar estos movimientos controlando la humedad", añade.

PLEGAMIENTO DE UN BLOQUE DE CONSTRUCCIÓN DE PROTEÍNAS

   La tela de araña ya es conocida por su excepcional relación fuerza-peso, su flexibilidad y su tenacidad o resistencia. Varios equipos de todo el mundo están trabajando para replicar estas propiedades en una versión sintética de la fibra basada en proteínas. Aunque se desconoce el propósito de esta fuerza de torsión, desde el punto de vista de la araña, los investigadores creen que la supercontracción en respuesta a la humedad puede ser una forma de asegurarse de que una telaraña esté tensa en respuesta al rocío de la mañana, tal vez protegiéndola de daños y caídas y maximizando su capacidad de respuesta a la vibración para que la araña sienta su presa.

   "No hemos encontrado ningún significado biológico" para el movimiento de torsión, dice Buehler. Pero a través de una combinación de experimentos de laboratorio y modelos moleculares por ordenador, el equipo ha podido determinar cómo funciona el mecanismo de torsión. Resulta que se basa en el plegamiento de un tipo particular de bloque de construcción de proteínas, llamado prolina.

   La investigación de ese mecanismo subyacente requería un modelado molecular detallado, realizado por Tarakanova y Hsu. "Tratamos de encontrar un mecanismo molecular para lo que nuestros colaboradores estaban encontrando en el laboratorio", explica Hsu. "Y en realidad encontramos un mecanismo potencial", basado en la prolina. Demostraron que, con esta estructura de prolina particular en su lugar, siempre se producía la torsión en las simulaciones, pero sin ella no había torsión.

   "La tela de araña es una fibra de proteína --explica Liu--. Está hecha de dos proteínas principales, llamadas MaSp1 y MaSp2". La prolina, crucial para la reacción de torsión, se encuentra dentro de MaSp2, y cuando las moléculas de agua interactúan con ella interrumpen sus enlaces de hidrógeno de manera asimétrica causando la rotación. La rotación solo va en una dirección, y tiene lugar en un umbral de alrededor del 70 por ciento de humedad relativa.

   "La proteína tiene una simetría rotacional incorporada", dice Buehler. Y a través de su fuerza de torsión, hace posible "una nueva clase de materiales". Ahora que se ha encontrado esta propiedad, sugiere, tal vez se pueda replicar en un material sintético. "Tal vez podamos hacer un nuevo material de polímero que pueda replicar este comportamiento", dice Buehler.

   "La propensión única de la seda de araña a someterse a supercontracción y exhibir un comportamiento de torsión en respuesta a desencadenantes externos, como la humedad, puede explotarse para diseñar materiales sensibles a base de seda que pueden ajustarse con precisión en la nanoescala", dice Tarakanova, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Connecticut, Estados Unidos.

   "Las aplicaciones potenciales son diversas: desde robots y sensores blandos impulsados por la humedad, hasta textiles inteligentes y generadores de energía verde", plantea este experto. Además de los posibles músculos artificiales, el hallazgo también podría conducir a sensores precisos de humedad.