Ученые создали искусственные мышцы из кожицы лука

На этой неделе группа ученых из Тайваня сообщила, что покрытые золотом пленки из луковых клеток могут растягиваться, сокращаться и изгибаться в различных направлениях, подобно естественной мышечной ткани.

Сфера применения искусственных мышц очень широка, от оказания помощи людям, получившим травмы и ранения, до создания роботов. Сейчас существует множество способов создания искусственных мышц. В прошлом году, к примеру, из обыкновенной рыболовной лески ученые сконструировали искусственные мышцы, которые оказались в 100 раз мощнее мышечных волокон человека того же размера и массы. Однако пока у всех предложенных технологий создания искусственных мускул была масса недостатков.

«Существуют искусственные мышцы, созданные с использованием эластомеров, сплавов с памятью формы, пьезоэлектрических композитов, ионопроводящих полимеров и карбоновых нанотрубок, — говорит Вэнь-Пин Ших (Wen-Pin Shih) из Национального университета Тайваня. — Движущие механизмы и их функции чрезвычайно разнообразны». Некоторые виды искусственных мышц приводятся в движение при помощи давления (пневматические системы), другие — посредством изменений температуры или при помощи электрического тока.

Главной задачей создателей искусственных мышц стала разработка такого материала, который мог бы сгибаться и сокращаться одновременно, как это делают настоящие мышцы. Когда человек принимает классическую позу, чтобы продемонстрировать мышцы руки, его бицепс сокращается и одновременно изгибается, чтобы поднять предплечье. Ших и его коллеги пытались создать такую искусственную мышцу, которая могла бы одновременно сокращаться и изгибаться, и они обнаружили, что структура луковой кожицы очень похожа на ту микроструктуру, которую они пытались разработать.

Чтобы испытать этот жгучий овощ, ученые Тайваньского университета сняли тонкий слой эпидермальных клеток со свежей очищенной луковицы и промыли его чистой водой. Затем они удалили из него всю влагу путем сублимационной сушки, не повредив сами клетки. В результате эта микроструктура стала жесткой и хрупкой, поэтому ученые обработали ее кислотой, чтобы удалить из клеток гемицеллюлозу, которая придает клеточным стенкам прочность, и сделать эту микроструктуру эластичной.

Ученые заставили луковые пленки двигаться, подобно мышцам, превратив их в электростатические актюаторы. Для этого на них нанесли золотые электроды, которые проводят электричество. Эти электроды были разной толщины — 24 нанометра сверху и 50 нанометров снизу — чтобы заставить клетки сжиматься и растягиваться так, как это делают мышечные клетки. Этому способствовало естественное свойство луковой кожицы изгибаться в различных направлениях под воздействием электрического напряжения благодаря электростатическому притяжению.

Низкое напряжение от 0 до 50 Вольт заставляло клетки растягиваться и уплощаться по сравнению с их изначальной изогнутой структурой, а более высокое напряжение от 50 до 1000 Вольт заставляло клетки лука сжиматься и изгибаться вверх.  Контролируя напряжение и, таким образом, приводя в движение эти «искусственные мышцы», ученые смогли при помощи двух луковых пленок — как при помощи пинцета — поднять маленький шарик из ваты, о чем Ших и его коллеги написали в докладе, опубликованном в Applied Physics Letters на этой неделе.

Однако для того чтобы поднять этот ватный шарик, ученым понадобилось очень высокое напряжение, что, по их словам, является на данном этапе самым главным недостатком их проекта. Если бы движения искусственных мышц можно было контролировать при помощи низкого напряжения, то в качестве источников питания имплантов или систем роботов можно было бы применять крохотные аккумуляторы, что чрезвычайно удобно. «Нам предстоит понять конфигурацию и механические свойства стенок клетки, чтобы преодолеть это препятствие», — объясняет Ших.

Ших утверждает, что клетки лука обладают определенными преимуществами по сравнению с предыдущими попытками создать искусственные ткани с использованием живых мышечных клеток. «Выращивание клеток, которые смогу сформироваться в участок мышечной ткани, способный создавать силу тяги, это очень сложный процесс, — объясняет Ших. — Люди прежде уже пытались использовать живую мышечную ткань. Но в этом случае основная проблема заключается в том, как сохранять эти клетки живыми. Мы использовали клетки овощей, потому что стенки их клеток сохраняют мышечную силу независимо от того, живые они или нет».

Однако остается еще и вопрос долговечности: золотое покрытие помогает защищать луковые мышцы от воздействия внешних факторов, однако влага все равно может проникнуть сквозь стенки клеток и изменить их свойства. Ших уже предложил способ решения этой проблемы, который ученые смогут проверить уже совсем скоро. «Мы можем покрыть искусственную мышцу из луковой кожицы очень тонким слоем фторида, — говорит он. — Это не позволит влаге проникнуть внутрь клеток и при этом не изменит их свойств».