生物激发凝胶材料可以帮助工程师控制软机器人的运动

自然适应不断变化的环境的新材料受到海洋蠕虫颚的强度，稳定性和机械性能的启发。蛋白质材料由土木与环境工程系(CEE)的原子与分子力学实验室(LAMM)的研究人员设计和建模，并与Wright的空军研究实验室(AFRL)合作完成。俄亥俄州帕特森空军基地根据不断变化的pH值和离子浓度进行扩展和收缩。它是通过研究Nereis virens(一种沙虫)的颚在不同环境中如何形成和适应而开发的。

由此产生的pH和离子敏感材料能够响应并对其环境作出反应。理解这种自然发生的过程对于主动控制软机器人和传感器的致动器的运动或变形特别有用，而无需使用外部电源或复杂的电子控制装置。它也可以用于构建自治结构。

“通过从化学水平开始改变其层次结构，大大改变材料特性的能力为调整材料提供了令人兴奋的新机会，并为新的工程应用建立了天然材料设计，”Markus J. Buehler写道，迈克菲工程学教授，CEE主任，该论文的高级作者。

最近发表在ACS Nano上的这项研究表明，根据环境中的离子和pH值，蛋白质材料会膨胀并收缩成不同的几何图案。当条件再次变化时，材料恢复到其原始形状。这使其特别适用于具有可调机械的智能复合材料和使用pH值和离子条件来改变材料刚度或产生功能变形的自供电机器人。

在海洋蠕虫的强壮，稳定的下颚中寻找灵感

为了创造可用于软机器人，传感器和其他用途的生物启发材料 - 例如受Nereis启发的- LAMM和AFRL的工程师和科学家需要首先了解这些材料如何在Nereis蠕虫中形成，以及他们最终如何在各种环境中表现。这种理解涉及从原子水平包含所有不同长度尺度的模型的开发，并且能够预测材料行为。该模型有助于充分了解Nereis蠕虫及其卓越的强度。

“与AFRL合作使我们有机会将我们的原子模拟与实验配对，”CEE研究科学家Francisco Martin-Martinez说。AFRL实验合成了一种水凝胶，一种主要由水制成的凝胶状材料，由重组Nvjp-1蛋白组成，负责结构稳定性和Nereis颌的令人印象深刻的机械性能。水凝胶用于测试蛋白质如何收缩并根据环境中的pH和离子改变行为。

的沙蚕颚主要是由有机物质，这意味着它是具有类似于明胶的稠度的软蛋白材料。尽管如此，据报道其硬度介于0.4和0.8千兆帕(GPa)之间的强度类似于人类牙本质等较硬材料的强度。“非常值得注意的是，这种柔软的蛋白质材料，具有类似于Jell-O的稠度，可以像在人类牙本质和骨骼等较硬的材料中发现的钙化矿物一样强烈，”Buehler说。

在麻省理工学院，研究人员在分子尺度上研究了Nereis颌骨的构成，看看是什么让下颚变得如此强壮和适应性。在这种规模下，金属配位交联，其分子结构中存在金属，提供了一种分子网络，使材料更强，同时使分子键更具动态性，并最终能够响应不断变化的条件。在宏观尺度上，这些动态金属 - 蛋白质键导致膨胀/收缩行为。

结合AFRL的蛋白质结构研究和LAMM，Buehler，Martin-Martinez，CEE研究科学家赵勤和前博士生Chia-Ching '15的分子理解，创建了一个能够预测机械行为的多尺度模型。在各种环境中含有这种蛋白质的材料。“这些原子模拟有助于我们可视化原子排列和分子构象，从而奠定了这些材料的机械性能，”Martin-Martinez说。

具体而言，使用该模型，研究团队能够设计，测试和可视化不同分子网络如何变化并适应各种pH水平，同时考虑到生物和机械特性。

通过观察Nereis virens的分子和生物组成，并使用所得蛋白质材料的力学行为的预测模型，LAMM研究人员能够更全面地了解不同尺度的蛋白质材料，并提供对如何全面了解这种蛋白质材料在不同的pH设置下形成和表现。这种理解指导了软机器人和传感器的新材料设计。

确定环境属性与材料中的运动之间的联系

预测模型解释了pH敏感材料如何改变形状和行为，研究人员用它来设计新的PH变化几何结构。根据蛋白质材料中测试的原始几何形状及其周围的特性，LAMM研究人员发现，当pH值发生变化时，材料会呈螺旋状或采用Cypraea贝壳状。这些只是这种新材料可用于开发软机器人，传感器和自主结构的潜力的一些例子。

使用预测模型，研究小组发现材料不仅会改变形态，而且当pH值发生变化时，它也会恢复到原来的形状。在分子水平上，蛋白质中存在的组氨酸氨基酸与环境中的离子强烈结合。氨基酸和金属离子之间的这种非常局部的化学反应在较大规模上对蛋白质的整体构象有影响。当环境条件改变时，组氨酸 - 金属相互作用相应地改变，这会影响蛋白质构象，进而影响材料反应。

“改变pH值或改变离子就像翻转开关一样。你打开或关闭它，取决于你选择的环境，水凝胶扩大或收缩“马丁 - 马丁内兹说。

LAMM发现，在分子水平上，当环境中含有锌离子和某些pH值时，蛋白质材料的结构会得到加强。这在材料的分子结构中产生更稳定的金属配位交联，这使得分子更具动态性和柔韧性。

对材料设计及其灵活性的深入了解对于pH值变化的环境非常有用。它将其数字改变为改变酸度水平的反应可用于软机器人。“大多数软机器人需要电源来驱动运动并由复杂的电子设备控制。我们在设计多功能材料方面的工作可能为没有电子设备直接控制材料特性和变形提供了另一条途径，“秦说。

通过研究和模拟分子构成和主要蛋白质的行为，负责Nereis颚性能的理想机械性能，LAMM研究人员能够将环境特性与材料中的运动联系起来，并对其强度有更全面的了解。Nereis下巴。