生物激發凝膠材料可以幫助工程師控制軟機器人的運動

自然適應不斷變化的環境的新材料受到海洋蠕蟲顎的強度，穩定性和機械性能的啟發。蛋白質材料由土木與環境工程系(CEE)的原子與分子力學實驗室(LAMM)的研究人員設計和建模，并與Wright的空軍研究實驗室(AFRL)合作完成。俄亥俄州帕特森空軍基地根據不斷變化的pH值和離子濃度進行擴展和收縮。它是通過研究Nereis virens(一種沙蟲)的顎在不同環境中如何形成和適應而開發的。

由此產生的pH和離子敏感材料能夠響應并對其環境作出反應。理解這種自然發生的過程對于主動控制軟機器人和傳感器的致動器的運動或變形特別有用，而無需使用外部電源或復雜的電子控制裝置。它也可以用于構建自治結構。

“通過從化學水平開始改變其層次結構，大大改變材料特性的能力為調整材料提供了令人興奮的新機會，并為新的工程應用建立了天然材料設計，”Markus J. Buehler寫道，邁克菲工程學教授，CEE主任，該論文的高級作者。

最近發表在ACS Nano上的這項研究表明，根據環境中的離子和pH值，蛋白質材料會膨脹并收縮成不同的幾何圖案。當條件再次變化時，材料恢復到其原始形狀。這使其特別適用于具有可調機械的智能復合材料和使用pH值和離子條件來改變材料剛度或產生功能變形的自供電機器人。

在海洋蠕蟲的強壯，穩定的下顎中尋找靈感

為了創造可用于軟機器人，傳感器和其他用途的生物啟發材料 - 例如受Nereis啟發的- LAMM和AFRL的工程師和科學家需要首先了解這些材料如何在Nereis蠕蟲中形成，以及他們最終如何在各種環境中表現。這種理解涉及從原子水平包含所有不同長度尺度的模型的開發，并且能夠預測材料行為。該模型有助于充分了解Nereis蠕蟲及其卓越的強度。

“與AFRL合作使我們有機會將我們的原子模擬與實驗配對，”CEE研究科學家Francisco Martin-Martinez說。AFRL實驗合成了一種水凝膠，一種主要由水制成的凝膠狀材料，由重組Nvjp-1蛋白組成，負責結構穩定性和Nereis頜的令人印象深刻的機械性能。水凝膠用于測試蛋白質如何收縮并根據環境中的pH和離子改變行為。

的沙蠶顎主要是由有機物質，這意味著它是具有類似于明膠的稠度的軟蛋白材料。盡管如此，據報道其硬度介于0.4和0.8千兆帕(GPa)之間的強度類似于人類牙本質等較硬材料的強度。“非常值得注意的是，這種柔軟的蛋白質材料，具有類似于Jell-O的稠度，可以像在人類牙本質和骨骼等較硬的材料中發現的鈣化礦物一樣強烈，”Buehler說。

在麻省理工學院，研究人員在分子尺度上研究了Nereis頜骨的構成，看看是什么讓下顎變得如此強壯和適應性。在這種規模下，金屬配位交聯，其分子結構中存在金屬，提供了一種分子網絡，使材料更強，同時使分子鍵更具動態性，并最終能夠響應不斷變化的條件。在宏觀尺度上，這些動態金屬 - 蛋白質鍵導致膨脹/收縮行為。

結合AFRL的蛋白質結構研究和LAMM，Buehler，Martin-Martinez，CEE研究科學家趙勤和前博士生Chia-Ching '15的分子理解，創建了一個能夠預測機械行為的多尺度模型。在各種環境中含有這種蛋白質的材料。“這些原子模擬有助于我們可視化原子排列和分子構象，從而奠定了這些材料的機械性能，”Martin-Martinez說。

具體而言，使用該模型，研究團隊能夠設計，測試和可視化不同分子網絡如何變化并適應各種pH水平，同時考慮到生物和機械特性。

通過觀察Nereis virens的分子和生物組成，并使用所得蛋白質材料的力學行為的預測模型，LAMM研究人員能夠更全面地了解不同尺度的蛋白質材料，并提供對如何全面了解這種蛋白質材料在不同的pH設置下形成和表現。這種理解指導了軟機器人和傳感器的新材料設計。

確定環境屬性與材料中的運動之間的聯系

預測模型解釋了pH敏感材料如何改變形狀和行為，研究人員用它來設計新的PH變化幾何結構。根據蛋白質材料中測試的原始幾何形狀及其周圍的特性，LAMM研究人員發現，當pH值發生變化時，材料會呈螺旋狀或采用Cypraea貝殼狀。這些只是這種新材料可用于開發軟機器人，傳感器和自主結構的潛力的一些例子。

使用預測模型，研究小組發現材料不僅會改變形態，而且當pH值發生變化時，它也會恢復到原來的形狀。在分子水平上，蛋白質中存在的組氨酸氨基酸與環境中的離子強烈結合。氨基酸和金屬離子之間的這種非常局部的化學反應在較大規模上對蛋白質的整體構象有影響。當環境條件改變時，組氨酸 - 金屬相互作用相應地改變，這會影響蛋白質構象，進而影響材料反應。

“改變pH值或改變離子就像翻轉開關一樣。你打開或關閉它，取決于你選擇的環境，水凝膠擴大或收縮“馬丁 - 馬丁內茲說。

LAMM發現，在分子水平上，當環境中含有鋅離子和某些pH值時，蛋白質材料的結構會得到加強。這在材料的分子結構中產生更穩定的金屬配位交聯，這使得分子更具動態性和柔韌性。

對材料設計及其靈活性的深入了解對于pH值變化的環境非常有用。它將其數字改變為改變酸度水平的反應可用于軟機器人。“大多數軟機器人需要電源來驅動運動并由復雜的電子設備控制。我們在設計多功能材料方面的工作可能為沒有電子設備直接控制材料特性和變形提供了另一條途徑，“秦說。

通過研究和模擬分子構成和主要蛋白質的行為，負責Nereis顎性能的理想機械性能，LAMM研究人員能夠將環境特性與材料中的運動聯系起來，并對其強度有更全面的了解。Nereis下巴。