ポパイは、ほうれん草を筋肉増強野菜として有名にしました。 しかし、科学者が野菜を使用して新しいクラスの人工筋肉を構築するとき、野菜はいつかは食べられずにあなたを強くするかもしれません。 今週、台湾のチームは、金メッキされたタマネギ細胞を発表しました。これは、実際の筋肉組織と同じように、さまざまな方向に伸縮する可能性を示しています。
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人工筋肉には、負傷した人間の支援からロボットの動力供給まで、さまざまな用途が考えられます。それらを構築する方法はたくさんあります。 たとえば、昨年、科学者たちは単純な釣り糸から人工筋肉のセットを開発しました。これは、同じサイズと重量の人間の筋肉の100倍以上を持ち上げることができます。 しかし、偽の筋肉を作るための明らかに優れた方法はまだ現れていません。
「エラストマー、形状記憶合金、圧電複合材料、イオン伝導性ポリマー、カーボンナノチューブを使用して開発された人工筋肉があります」と国立台湾大学台北のウェンピンシーは言います。 「駆動メカニズムと機能は非常に多様です。」一部の人工筋肉は、空気圧システムなどの圧力によって駆動されますが、他のタイプの筋肉は温度変化または電流によって動きを作り出します。
人工筋肉メーカーの主要な課題は、実際の筋肉のように、同時に曲げたり収縮したりするように材料を設計することでした。 たとえば、誰かが古典的な「筋肉を作る」ポーズを曲げると、上腕二頭筋は収縮しますが、上腕も持ち上げて前腕を持ち上げます。 シーと同僚は、この方法で同時に曲げたり収縮したりできる人工筋肉を設計しようとしており、タマネギの皮の構造と寸法は、彼らが念頭に置いていた微細構造に非常に似ていることを発見しました。
刺激性の野菜をテストするために、シーのグループは最初に、新鮮な皮をむいたタマネギから表皮細胞の単層を取り出し、水できれいに洗いました。 その後、チームはタマネギを凍結乾燥して水分を除去し、細胞壁はそのままにしました。 このプロセスにより、微細構造が硬くて脆くなったため、タマネギを酸で処理して、ヘミセルロースと呼ばれる細胞硬化タンパク質を除去し、弾力性を回復しました。
タマネギの層は、筋肉を静電アクチュエータに変えることで筋肉のように動くように作られました。 これは、電流を流す金電極でそれらをコーティングすることを意味しました。 金は2種類の厚さ（上部が24ナノメートル、下部が50ナノメートル）で適用され、さまざまな曲げ剛性を作り出し、細胞をリアルに曲げたり伸ばしたりしました。 これは、静電引力による異なる電圧にさらされたときに、タマネギの皮が異なる方向に曲がるという自然な傾向とうまく組み合わされました。
チームはタマネギの皮膚細胞から筋肉のような「ピンセット」を作りました。 （国立台湾大学シーラボ） 0〜50ボルトの低い電圧では、セルが元の湾曲構造から伸びて平らになり、50〜1000ボルトの高い電圧では、野菜の筋肉が収縮して上に曲がります。 これらの電圧を制御して筋肉の動きを変えることにより、タマネギの配置の2つを小さな綿球を掴むピンセットとして使用しました、シーと同僚は今週Applied Physics Lettersで報告します。
しかし、その成功には比較的高い電圧が必要であり、シーはこれをコンセプトの主な欠点と呼んでいます。 小型のバッテリーまたはマイクロプロセッサコンポーネントで筋肉を制御するには、より低い電圧が必要です。これは、パワーインプラントやロボット部品に適しています。 「この課題を克服するには、細胞壁の構成と機械的特性をよりよく理解する必要があります」と彼は述べています。
タマネギ細胞は、生体筋肉細胞を使用して人工組織を作成する以前の試みに比べていくつかの利点を提供します、とシーは言います。 「細胞を培養して筋組織を形成し、引っ張り強度を生成することは依然として非常に困難です」とShih氏は言います。 「人々は以前に生きた筋肉を使用しようとしました。 しかし、その後、筋肉細胞を生き続ける方法が問題になります。 細胞が生きているかどうかにかかわらず、細胞壁が筋力を提供するため、植物細胞を使用しています。」
ただし、耐久性が問題です。金メッキはタマネギの筋肉を保護するのに役立ちましたが、水分は細胞壁に浸透して材料の特性を変化させる可能性があります。 シーは、この問題に取り組むアイデアを持っています。この問題はすぐにテストされる可能性があります。 「タマネギの人工筋肉を非常に薄いフッ化物層で覆うことができます」と彼は言います。 「これにより、人工筋肉は水分を透過しなくなりますが、デバイスの柔らかさは変わりません。」
