Örümcek İpeği Robotik Kas Olarak Kullanılabilir Mi?
Fotoğraf: Nephila Pilies örümceğinden elde edilen ipek. ( Liu ve arkadaşları, Sci. Adv. 2019;5.)
Araştırmacılar, ağırlığından dolayı en güçlü malzemelerden biri olarak bilinen örümcek ipeğinin, yapay kasların veya robotik aktüatörlerin (işletici) yeni bir türüne sebep olabilecek sıra dışı bir özelliğe sahip olduğunu keşfettiler.
Araştırma ekibinin keşfettiği elastik lifler, nem oranındaki değişikliklere çok güçlü tepkiler veriyor. Havada bulunan belirli bir bağıl nem seviyesinin üstünde bu lifler, bir valfi kontrol etmek gibi bazı faaliyetleri gerçekleştirmek için hareket eden bir cihaz olan aktüatörlere benzer keşfedilmiş diğer malzemeler ile potansiyel olarak rekabet edebilecek yeterli gücü sarf ederek aniden büzülür ve bükülürler.
Elde edilen bulgular bugün (Mart ayı içerisinde), Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölüm başkanı Profesör Markus Buehler ile birlikte MIT’de eski doktora sonrası araştırmacı Anna Tarakanova ve lisans öğrencisi Claire Hsu, Çin Vuhan’daki (Wuhan) Huazhong Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde doçent Dabiao Liu ve diğer altı kişi tarafından Science Advances dergisindeki bir makalede yayımlandı.
Araştırmacılar kısa bir süre önce örümcek ipeğine ait ince liflerin nemdeki değişikliklere tepki olarak aniden büzüşebildiği süperkasılma adı verilen bir özelliği keşfettiler. Bu yeni bulgu, sadece ipliklerin büzülmesini sağlamakla kalmıyor aynı zamanda burulma kuvveti sağlayarak bükülmeyi de mümkün kılıyor. Buehler, ‘’ Bu yeni bir olgudur.’’ diyerek açıklıyor.
Fotoğraf: Nephila Pilies örümceğinden elde edilen ipek. ( Liu ve arkadaşları, Sci. Adv. 2019;5.)
Liu, ‘’ Aslında başlangıçta bunu bir şans eseri olarak keşfettik.’’ diyor. ‘’ Çalışma arkadaşlarımla birlikte örümcek ipeği üzerine nemin etkisini incelemek istemiştik.’’ Bunu gerçekleştirmek için, bir tür sarkaç yapmak amacıyla örümcek ağı ipeğinden belirli bir kütle ayırdılar ve içindeki bağıl nemi kontrol edebilecekleri bir odaya yerleştirdiler. ‘’ Nem oranını arttırdığımızda, sarkaç dönmeye başladı. Bu durum beklediğimizin dışındaydı. Gerçekten bizi oldukça şaşırttı.’’
Araştırma ekibi, insan saçı da dahil olmak üzere bir dizi farklı malzemeyi test etti, ancak denedikleri bu malzemelerde bükülme hareketine rastlamadılar. Öte yandan Liu, bu olgunun yapay kaslar için kullanılabileceğini düşünmeye başladığını ifade etti.
Buehler, belirli türdeki sensörleri ya da kontrol cihazlarını kontrol etmenin yeni bir yolu olarak bu durumun robot bilimi (robotik) topluluğu için oldukça ilginç olacağını söyledi. ‘’ Nemi kontrol ederek bu hareketleri nasıl kontrol edebileceğiniz oldukça belirgin.’’
Örümcek ipeği günümüzde zaten, olağanüstü mukavemet/ağırlık oranı, esnekliği, tokluğu ya da elastikliği ile bilinmektedir. Dünyanın dört bir yanından pek çok araştırma ekibi, bu özellikleri protein bazlı lifin sentetik bir versiyonunda benzerini yapabilmek amacıyla çalışıyorlar.
Fotoğraf: Laboratuvar ortamında Nephila Pilipes örümceği. ( Liu ve arkadaşları, Sci. Adv. 2019;5.)
Örümcekler açısından bakıldığında bu bükülme kuvvetinin amacı bilinmemekle birlikte, araştırmacılar neme tepki olarak meydana gelen süper büzülmenin, örümcek ağının sabah çiyine karşı sıkıca çekildiğinden emin olmak ya da belki de kendisini zarardan korumak ve örümceğin avını algılaması amacıyla titreşime karşı tepkisini arttırmak için bir yol olabileceğini düşünüyorlar.
Buehler, bu bükülme hareketi için biyolojik olarak herhangi bir anlam bulmadıklarını söylüyor. Fakat araştırmacılar, laboratuvar deneyleri ve bilgisayarda yapılan moleküler modellemelerin birleşimi sonucunda bu bükülme mekanizmasının nasıl çalıştığını buldular. Prolin adı verilen belirli bir protein yapı bloğunun katlanması temeline dayandığı ortaya konuldu.
Altta yatan mekanizmanın araştırılması, Tarakonava ve Hsu tarafından uygulanan ayrıntılı moleküler modellemeyi gerektiriyordu. Hsu, ‘’ Çalışma arkadaşlarımızın laboratuvarda elde ettiği bulgular için moleküler bir mekanizma bulmaya çalıştık.’’ diyerek açıklıyor. ‘’ Ve aslında proline dayalı bir potansiyel mekanizma bulduk.’’ diyerek ekliyor. Araştırma ekibi, bu belirli prolin yapısı mevcut iken, simülasyonlarda bükülmenin gerçekleştiğini ancak bu yapı mevcut olmadığında bükülme gözlenmediğini gösterdiler.
Liu, ‘’Örümcek ipeği bir protein lifidir.’’ diyerek açıklıyor. ‘’ MaSp1 ve MaSp2 adı verilen iki temel proteinden oluşmaktadır.’’ Bükülme reaksiyonu için oldukça önemli olan prolin, MaSp2’nin içerisinde bulunmaktadır ve su molekülleri ile etkileşime girdiğinde bu moleküller hidrojen bağlarını asimetrik bir şekilde ayırır ve bu durum rotasyona sebep olur. Bu rotasyon sadece tek yönlü olarak ve yüzde 70 bağıl nem sınırında gerçekleşir.
Fotoğraf: Örümcek ipeğinden yapılmış torsiyon (burulma) sarkacı. ( Liu ve arkadaşları, Sci. Adv. 2019;5.)
Buehler, ‘’ Bu protein içinde var olan bir dönme simetrisine sahip’’ diyerek açıklıyor. Ve onun burulma kuvveti, ‘’ tamamen yeni bir malzeme sınıfı’’ oluşturmayı mümkün kılar. Şu anda bu özellik bulundu ve Buehler belki de bunun sentetik bir malzemeye kopyalanabileceğini öne sürüyor. Ayrıca, ‘’ Belki de bu davranışı çoğaltabilecek yeni bir polimer malzeme üretebiliriz.’’ diyerek ekliyor.
Şu anda Connecticut Üniversitesi’nde öğretim üyesi olan Tarakanova, örümcek ağı ipeğinin nem gibi dışarıdan gelen uyarıcılara karşı eşsiz bir süper büzülme eğiliminin olmasından ve burulma davranışı sergilemesinden, nano ölçekte hassas olarak ayarlanabilen ipek bazlı duyarlı malzemeler tasarlamak için faydalanılabilir.’’ diyor. ‘’ Potansiyel uygulamalar, neme dayalı yazılım destekli robotlar ve sensörlerden, akıllı tekstil ürünleri ve yeşil enerji jeneratörlerine kadar çeşitlilik göstermektedir. ‘’
Ayrıca diğer doğal malzemelerin de bu özelliği gösterdiği ortaya çıkabilir ancak öyle olsa bile bu durum henüz daha keşfedilmedi. Buehler, ‘’ Bu tür bir bükülme hareketi, henüz daha araştırmadığımız diğer malzemelerde de bulunabilir.’’ diyor. Ayrıca yapay kaslara ek olarak, elde edilen bulguların neme duyarlı hassas sensörler için de kaynak olabileceği öngörülüyor.
Kaynak: phys.org
