Je leest:

Nieuwe kunstspieren lijken steeds meer op die van jou

Nieuwe kunstspieren lijken steeds meer op die van jou

Netwerken van vloeibare kristallen verstijven als ze vervormen, net als ‘echte’ spieren

Auteur: | 29 oktober 2019

Kunstmatige ‘spieren’ zijn al in verschillende vormen ontwikkeld, maar chemici van de Universiteit Twente zetten nu een nieuwe stap. Hun kunstspieren kunnen niet alleen samentrekken en weer ontspannen, ze passen ook hun stijfheid aan tijdens die beweging. Net zoals de spieren in ons lichaam dat doen.

Schematische weergave van de driedimensionale structuur van twee myosine eiwitten die met hun ‘kop’ aan elkaar plakken. De langgerekte ‘staarten’ hechten aan de actinevezels

Dat we kunnen bewegen, danken we aan onze spieren. Maar die kunnen dat op hun beurt weer dankzij het samenspel van moleculaire machines en vervormbare materialen. In de spiercellen zijn de zogeheten myosine motoreiwitten de gangmakers. Deze eiwitten bewegen zich voort over de actinevezels, lange strengen eiwitmateriaal die opgekruld zijn tot een helix (kurkentrekker). Doordat de myosines onderling ook zijn verbonden, ontstaat een bundel van aan elkaar gekoppelde strengen. Het bewegen van de myosines zorgt voor samentrekking en ook weer ontspanning van de bundel spiervezels. De werking van onze spieren begint dus met activiteit op het moleculaire niveau.

Die omzetting van moleculaire activiteit naar nuttig effect waar wij iets aan hebben, willen onderzoekers nabootsen in kunstmatige materialen. Materialen die reageren op een signaal (licht, temperatuur) en dan van vorm veranderen waardoor er spanning ontstaat en ze een kracht uitoefenen. En dat dan heel vaak herhalen, zonder moe te worden. Dat zou bijvoorbeeld interessant zijn voor zachte en tegelijkertijd sterke materialen die je in robots gebruikt.

Springende reepjes

Inmiddels is een hele collectie van dergelijke adaptieve of responsieve zachte materialen ontwikkeld waarvan het gedrag een beetje lijkt op het samentrekken van spieren. NEMO Kennislink schreef eerder al over onder meer lichtgevoelige reepjes die zelfstandig kunnen rollen, een kunstmatige zaadpeul die met kracht openbarst en een grijpertje dat iets kan vastpakken net zoals een vleesetende plant dat doet. Maar een belangrijk verschil met echte spieren is dat deze materialen tijdens het vervormen vaak ook vervloeien ofwel verslappen, terwijl spieren dan juist stijver worden. Dat beschermt ze tegen scheurtjes of andere schade en bovendien zorgt verstijving ook voor meer opbouw van spanning en dus meer kracht.

De venusvliegenvanger (een vleesetende plant) heeft een zweefvlieg gevangen. De ‘bek’ van de plant vormde de inspiratie voor een miniatuur grijpertje gemaakt van lichtgevoelige materialen.

De onderzoeksgroep van Nathalie Katsonis, hoogleraar bio-geïnspireerde en slimme materialen aan de Universiteit Twente, komt nu met een mogelijke oplossing voor dat probleem. Katsonis werkt met materialen gemaakt van netwerken van vloeibare kristallen waarin lichtgevoelige moleculaire schakelaars zijn verwerkt – moleculen die in reactie op licht dusdanig van vorm veranderen dat ze aan het netwerk gaan trekken en zo zorgen voor de opbouw van spanning. Door aan het materiaal een tweede vloeibare kristal toe te voegen dat niet meereageert in de vorming van het netwerk, en daardoor niet mengt met de rest, ontstaan lokaal gebiedjes die vloeibaarder blijven. In chemische termen: er treedt een fasescheiding op. Een klein deel van het materiaal blijft zich gedragen als een vormeloze ‘vloeistof’, terwijl de rest zich gedraagt als een geordend geheel, dat meer lijkt op een vaste stof.

Sterke spieren

Omdat kleine gebiedjes in het materiaal meer vloeibaar blijven, wordt het geheel juist minder vloeibaar en dus stijver en steviger. Het idee hierachter haalden Katsonis en haar groep uit een publicatie uit 2015 in het tijdschrift Nature Physics, waarin wordt beschreven hoe kleine druppeltjes vloeistof in composieten (samengestelde materialen) zich gedragen als een vaste stof en niet meer vervormbaar zijn.

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Vietnamees dwerghert blijkt toch niet verdwenen

Klimaatwetenschappen
Je bent niet (veel) sneller thuis nu de snelheid wordt verlaagd

Maatschappijwetenschappen
Kom jij nog wel uit je eigen filterbubbel?

‘Het gaat tegen je intuïtie in dat je een vast materiaal stijver maakt door er vloeistof aan toe te voegen’, schrijft Katsonis in een begeleidend blog. ‘We denken dat in ons materiaal de overgang van de moleculaire schakelaars naar een gebogen vorm ervoor zorgt dat het netwerk nog moeilijker mengt met de ’vrije’ vloeibare kristallen, waardoor de spanning in het materiaal verder toeneemt en het geheel nog moeilijker te vervormen is. En dat vertaalt zich naar een verstijving van het materiaal.’ Met een krachtig resultaat: de kunstspieren van Katsonis kunnen ladingen van meer tien keer hun eigen gewicht optillen.

Dat er nu lichtgewicht, zachte materialen zijn die in reactie op een signaal van buitenaf snel van vorm kunnen veranderen én tegelijkertijd hun mechanische eigenschappen kunnen aanpassen, opent allerlei nieuwe mogelijkheden, aldus Katsonis. En hoewel concrete toepassingen er nog niet zijn, heeft ze daar wel ideeën over. “Ik zie dit als eerste conceptuele stappen in een nieuwe technologie die inzetbaar is in protheses, zoals een kunstarm, of in draagbare exoskeletten, bijvoorbeeld voor mensen die revalideren na een hersenbloeding”, zo laat ze NEMO Kennislink weten. “Nu worden daar nog zware, harde materialen voor gebruikt waarvan de onderdelen met scharnieren zijn verbonden. Deze missen de precieze, subtiele werking van spieren en ze kunnen zich ook niet aanpassen. Bovendien hebben ze stroom nodig. Allemaal zaken die we graag willen vervangen door meer mens-vriendelijke oplossingen en onze materialen kunnen daarbij helpen.”

Bron:

F. Lancia, A. Ryabchun, A-D. Nguindjel, S. Kwangmettatam, N. Katsonis, Mechanical adaptability of artificial muscles from nanoscale molecular action, Nature Communications (2019), doi:10.1038/s41467-019-12786-2

Behind the paper – blog van Nathalie Katsonis

R.W. Style, et al., Stiffening solids with liquid inclusions, Nature Physics (2015), doi:10.1038/nphys3181

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 oktober 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.