Наши мышцы оказались метаматериалом

…Но не у всех: в 2012 году наконец-то было экспериментально реализовано состояние материала с отрицательной сжимаемостью. Тогда метаматериал впервые удалось заставить вести себя противоположным образом: сжиматься при растягивающем усилии и растягиваться при сжимающем. Представьте себе, что вы давите на подушку, а она внезапно вспучивается именно в той точке, на которую вы жмёте, — это, грубо говоря, и есть отрицательная жёсткость.

Учёные во главе с Маттье Карюэлем (Matthieu Caruel) из Политехнической школы в Палезо (Франция) опубликовали труд, который может несколько «переопределить» наше понимание метаматериалов.

Проведя обширные исследования скелетных мышц человека, они обнаружили, что их работа организована не так, как представлялось. Известно, что мышца ведёт себя активно в периоды до 30 мс и пассивно порядка 1 мс. На пассивных отрезках она горазда на несколько необычных феноменов, в том числе на отрицательную жёсткость, считают авторы.

Свойство это проявляется тогда, когда максимально сокращённая мышца (в тетаническом — скажем, в судорожном — состоянии) внезапно расширяется, становясь менее напряжённой, а когда она внезапно сокращается, то становится тугой без применения АТФ — традиционного «топлива», используемого мышечной тканью для получения энергии. Как заключили учёные, такое поведение вызвано фолдингом (сворачиванием белка в третичную структуру) и обратным фолдингу процессом, проходящим с модификациями миозина без обычного для них расщепления АТФ. При этом мышцы в основном работали близ критической точки, показывая синхронизированное поведение на микроуровне.

Сходно вели себя и полученные в прошлом году метаматериалы с отрицательный жёсткостью, свойства которых обусловлены не столько параметрами составляющих их элементов, сколько искусственно организованной периодической структурой. Подчеркнём слово «искусственно»: предполагалось, что в естественных условиях метаматериалы возникнуть не могут, ибо создание периодической структуры довольно сложно, и человеческое материаловедение лишь недавно научилось справляться с ним. Теперь же свойства метаматериалов оказались присущи материалам донельзя природным — мышцам нашего тела.

В экспериментах было выявлено, что кроме этого поперечно-полосатая мышца напрягает и расслабляет свои компоненты не так, как известные нам «умные материалы», а вся сразу, получая высокосинхронизированное усилие при относительно малых энергозатратах. За этим коллективным поведением мышечных элементов должна стоять какая-то внутренняя архитектура, в которой взаимодействия на больших расстояниях доминируют над взаимодействием на малых дистанциях.

На наномасштабах, утверждают французы, взаимодействие в мышцах функционирует наподобие магнетизма, а критическая точка, в которой мускулы работают лучше всего, в данном случае является прямым аналогом ферромагнитной точки Кюри.

Также экспериментально было показано, что мышцы демонстрируют самоорганизованную критичность — черту, свойственную и метаматериалам с отрицательной жёсткостью, которые стабилизировались посредством адаптивного контролера с ограниченной памятью.

По всей видимости, это означает, что, предсказав метаматериалы теоретически, а затем и создав их, человечество наконец-то подошло к тому моменту, в котором обнаружило, что те же метаматериалы работают в… людских мышцах.

Заметим, что ранее именно новинки с отрицательной жёсткостью предлагались в качестве кандидата на искусственные мышцы для робототехники и даже броню будущего — при попадании пули в бронежилет из такого гипотетического материала противодействие в точке контакта может оказаться в выше, чем собственная энергия пули. Похоже, «искусственное» на деле оказалось бионическим.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Phys.Org.