Australische wetenschappers maakten een kunstmatige spier van textielvezel die dertig keer sterker is dan menselijke spieren. Ze baseerden hun aanpak op de manier waarop DNA zich oprolt in de cel. De minispiertjes kunnen al een micropincet en een microschaar doen bewegen.

Kunstmatige spieren zijn er in vele soorten en maten, van nagebouwde komkommerranken tot spinnendraad. De essentie van een kunstmatige spier is dat die ergens met enige kracht aan trekt om het in beweging te brengen. De uitdaging ligt met name in het laten samentrekken van de spier. Dat trucje kijken de wetenschappers nu af van DNA.
 

Dubbele draai

DNA trekt zich in de cel tot wel duizend keer samen door op te rollen. De dubbele helix van DNA vormt daarbij een superspiraal. Die maak je eenvoudig zelf door een koord aan beide uiteinden vast te houden en op te draaien. Wanneer je de einden daarna iets naar elkaar beweegt dan draait het koord zichzelf dubbel op. Het koord wordt daarbij korter en er komt energie vrij die je kunt gebruiken om ergens aan te trekken, net als een spier doet.
 

Superspiralen maken

Geoffrey Spinks en collega's van de University of Wollongong in Australië werken al meer dan tien jaar aan het concept. Eerder ontwikkelden ze een vezel die opdraait door verwarming en afkoeling en daarbij iets kan laten ronddraaien. De vezel die ze nu gebruiken windt zichzelf op door zwellen. Dat is een nieuwe manier om superspiralen te maken, zeggen de onderzoekers.
 

Zwellen als een spons

De vezel bestaat uit twee in elkaar gedraaide vezels van polyester en polyacrylzuur. Polyacrylzuur zwelt net als een spons sterk op in water. Zodra de vezel zwelt ontstaan de dubbele spiralen, die weer verdwijnen wanneer de vezel krimpt. De onderzoekers kunnen dat proces regelen door de zuurgraad van het water te veranderen. De resultaten publiceerden ze vorige week in het wetenschappelijke tijdschrift Science Robotics.



Sterker dan menselijke spier

Door het ontstaan van de superspiraal in de vezel wordt deze bijna twee keer zo kort. Dat is een veel grotere samentrekking dan bij menselijke spieren. Die korten maar met eenvijfde in wanneer ze zich aanspannen.

De hoeveelheid energie per gram vezel die de kunstmatige spier kan leveren, is meer dan dertig keer zo groot als bij een menselijke spier, namelijk een Joule per gram (spiervezel). Een gemiddelde spier van een zoogdier levert ongeveer 0,03 Joule per gram. De dunste kunstspiervezel heeft de dikte van een menselijke haar, eentiende millimeter.
 

Micropincet

De toepassing ligt volgens de onderzoekers in miniaturisatie van actuatoren, mechanische componenten die een beweging aandrijven, zoals bijvoorbeeld in operatierobots of prothesen. ‘Er zijn veel toepassingen denkbaar voor kleine kunstmatige spieren. De belangrijkste uitdaging is hoe je een grote en krachtige beweging krijgt in een minuscuul apparaat’, zegt hoofdonderzoeker Geoffrey Spinks in een persbericht. Dat is de onderzoekers dus nu gelukt.

Om het nut van de superspiralende kunstmatige spier te bewijzen lieten de Australiërs een micropincet en een microschaar bewegen door de vezels eraan te verbinden. Dat lukte feilloos, bewijst deze video:
 


Langzaam

Wel is de bediening nog te langzaam voor praktische toepassingen. Het duurt namelijk minuten voordat de vezel opzwelt en weer krimpt. Daar willen de onderzoekers nu aan werken, bijvoorbeeld door de vezels nog dunner te maken. Daarnaast zou het ook mogelijk moeten zijn om de vezels sneller te doen zwellen en krimpen door verwarmen, maar dat laten ze vooralsnog aan anderen over om uit te zoeken.

 

Tekst: Bastienne Wentzel
Openingsfoto: Geoffrey Spinks en Javad Foroughi van de University of Wollongong. Foto Paul Jones. Overige beelden Spinks et al., Science Robotics, 2021.