皮肤的外层能够吸收水分并膨胀，形成单项皱纹——但会在干燥时立即返回之前的状态。这种吸收水分和膨胀的过程发生在皮肤最外层，后者是由死细胞组成，它们会像砖块一样堆叠。这些细胞被由蛋白质角质组成的细丝网络填充满。这些角质丝互锁以形成三维的晶格。研究人员发现，当细丝拉伸时，晶格的体积能够增大五倍。
罗斯和伊万斯展示了这种结构将如何帮助细胞膨胀和收缩。“就像一根弹簧，你越拉伸细丝，它产生的弹性能量越大，”研究小组说道。他们还建立了一个模型描述这个系统的能量是如何因细丝网络的空间变化而发生变化的。
电脑模型显示了干燥皮肤（左）和湿润皮肤（右）的角质细丝的结构。
首先，研究人员计算了细丝吸收水分的“意愿”并发现这种能量是递减的，意味着这种结构是倾向于膨胀和吸收水分的。但他们认为一定存在其他的力逆转了该系统的膨胀，因为该过程在真实细胞里能够轻松的逆转。受到之前细丝弹性测量结果的启发，研究人员意识到拉伸细丝的张力能够提供反作用力。这种反作用力的相互作用确保了皮肤只能吸收一定程度的水分，因皮肤物理结构的限制而只在两个极端状态之间来回移动。
研究人员总结称角质细丝的几何结构对于皮肤对水的反应至关重要，因此它保证了系统处于合理的能量范围内从而能够有效的促进和抑制膨胀。罗斯和伊万斯的研究可以帮助治疗一系列皮肤病，并利用皮肤令人惊叹的特征而创造新材料。这篇研究被发表在期刊《物理评论快报》上。（编译/严炎刘星）