Una seda de araña demuestra prestaciones como la de Spiderman

Científicos chinos han encontrado propiedades en la seda de una araña, cuando interactúa con agua, que se asemejan a las fibras musculares y permiten habilidades como las del superhéroe Spiderman.

Nuestros músculos son asombrosos. Con el desencadenante de un pensamiento, los filamentos se deslizan entre sí y los haces de fibras que se contraen tiran de los huesos moviendo el cuerpo. El comportamiento de estiramiento desencadenado del músculo se basa intrínsecamente en la geometría, caracterizado por una disminución de la longitud y el aumento de volumen (o viceversa) en respuesta a un cambio en el medio ambiente local, como la humedad o el calor.

 

Las variaciones de esta geometría dinámica aparecen en otra parte en la naturaleza, exhibiendo una variedad de mecanismos y de estructuras e inspirando el desarrollo de una tecnología artificial del músculo. La seda de la araña, específicamente la seda de la araña Ornithoctonus Huwena, ahora ofrece la más nueva inspiración gracias a la investigación de una colaboración de científicos en China y los EEUU, cuyos resultados se publican en Applied Physics Letters.

 

"La seda de la araña es un material biológico natural con alta sensibilidad al agua, lo que nos inspira a estudiar la interacción entre la seda de la araña y el agua", dijo Hongwei Zhu, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tsinghua en Pekín y parte de la colaboración. "Ornithoctonus Huwena es una especie única, ya que puede ser criada artificialmente y produce una seda de diámetro nanoescala".

 

Además de la capacidad de contracción del estiramiento de los músculos, la forma en que se activa el movimiento -como se acciona el músculo- es una parte clave de su funcionalidad. Estas fibras de seda de araña, actuadas por gotitas de agua, mostraron un comportamiento impresionante en todas las formas que importan al rendimiento muscular (o a los superhéroes que pueden necesitar moverse entre los edificios).

 

"En este trabajo, revelamos el comportamiento reductor del tamaño de estiramiento de las fibras de seda de araña Ornithoctonus Huwena actuadas por el agua, y aplicarlo con éxito en el levantamiento de pesas", dijo Zhu. "Todo el proceso puede cubrir una larga distancia con una velocidad rápida y alta eficiencia, además de ser racionalizado mediante un análisis de la energía mecánica del sistema".

 

El equipo de investigación examinó el proceso de actuación en unos pocos escenarios diferentes, capturando la macrodinámica de las fibras flexibles con imágenes de alta velocidad. Accionaban las fibras desnudas sobre una superficie plana (un portaobjetos de microscopio) y colgando de un punto fijo (sostenido con pinzas) antes de añadir un peso a la configuración colgante para probar sus capacidades de elevación.

 

Zhu y su grupo también investigaron la microestructura de las proteínas que componen las fibras, revelando la infraestructura de proteínas que conduce a su acción hidro-reflexiva.

 

La microscopía electrónica dio una imagen clara de los hilos interiores lisos que constituyen la estructura fibrosa, y una técnica láser, llamada espectroscopia Raman, reveló la conformación precisa de las estructuras plegables de proteínas que componen cada capa. Fundamentalmente, las configuraciones moleculares específicas, en este caso con proteínas que tienen una fuerte afinidad por el agua y que se reorganizan en presencia de agua, dan lugar al accionamiento de la seda de la araña.

 

"Las hélices alfa y las hojas beta son dos tipos de estructuras de plegamiento de proteínas secundarias en proteínas de seda de araña", dijo Zhu. "Las láminas beta actúan como entrecruzamientos entre las moléculas de proteínas, las cuales se consideran relevantes para la resistencia a la tracción de la seda de araña", explicó. "Las hélices A son cadenas polipeptídicas dobladas en una estructura en espiral, que son consideradas relevantes para la extensibilidad y elasticidad en la proteína de seda de araña.

 

Devolver la fibra de nuevo a su estado relajado sólo requiere la eliminación del agua, que ofrece la conservación junto con su sencillez. Con algunos ajustes finos, también hay potencial para diseñar el comportamiento preciso del ciclo de contracción-estiramiento.

 

"Además, como la gota de agua que cae puede ser recogida y reciclada, el proceso de elevación es eficiente y respetuoso del medio ambiente", dijo Zhu. "Esto ha proporcionado la posibilidad de que la seda de araña puede actuar como músculo biomimético para buscar algo con bajo costo de energía. Puede ser mejorado para completar el comportamiento de estiramiento escalonado mediante el diseño del espesor de la fibra de seda y controlar el volumen de la gotita".

 

La comprensión de este material novedoso ofrece una nueva perspectiva para el desarrollo de una serie de dispositivos flexibles y manejables en el futuro.

 

"La interacción entre la materia y el líquido puede resultar en cambios estructurales de los materiales, que se pueden aplicar a los actuadores, sensores y dispositivos flexibles", dijo Zhu.