Изследователи разработват самовъзстановяващи се меки задвижващи механизми за роботи

Екип от изследователи в Penn State University разработи решение за износването на меки роботизирани задвижващи механизми поради повтаряща се дейност: самовъзстановяващ се, биосинтетичен полимер, базиран на пръстеновидни зъби от калмари. Материалът е полезен за задвижващите механизми, но може да се прилага и навсякъде, където малките дупки могат да причинят проблеми, като костюми за защита.

Според доклада в Материали за природата, „Настоящите самовъзстановяващи се материали имат недостатъци, които ограничават тяхното практическо приложение, като ниска сила на заздравяване и дълго време за заздравяване (часове).“ 

Черпейки вдъхновение от самовъзстановяващите се същества в природата, изследователите създадоха синтетични протеини с висока якост. Те са в състояние да самолекуват малки и видими щети.

Мелик Демирел е професор по инженерни науки и механика и е титуляр на катедрата на Lloyd и Dorothy Foehr Huch по биомиметични материали.

„Нашата цел е да създадем самовъзстановяващи се програмируеми материали с безпрецедентен контрол върху техните физически свойства, използвайки синтетична биология“, каза той. 

Роботизирани ръце и протези

Някои роботизирани машини, като например роботизирани ръце и протези на краката, разчитат на стави, които се движат постоянно. Това изисква мек материал и същото важи за вентилаторите и различните видове лични предпазни средства. Тези материали и всички, които са подложени на непрекъснато повтарящо се движение, са изложени на риск от развитие на малки разкъсвания и пукнатини, които в крайна сметка се счупват. С използването на самовъзстановяващ се материал, тези малки разкъсвания могат бързо да бъдат поправени, преди да са нанесени сериозни щети. 

ДНК тандемни повторения

Екипът от изследователи създаде самовъзстановяващия се полимер чрез използване на серия от тандемни повторения на ДНК, състоящи се от аминокиселини, произведени чрез генно дублиране. Тандемните повторения често са кратки серии от молекули, които могат да се повтарят неограничен брой пъти. 

Abdon Pena-Francelsch е водещ автор на статията и бивш докторант в лабораторията на Demirel.

„Успяхме да намалим типичния 24-часов период на заздравяване до една секунда, така че нашите базирани на протеин меки роботи вече могат да се поправят незабавно“, каза Абдон Пеня-Францелш. „В природата самовъзстановяването отнема много време. В този смисъл нашата технология надхитри природата.“

Според Демирел самовъзстановяващият се полимер може да се самолекува с прилагане на вода, топлина и дори светлина. 

„Ако разрежете този полимер наполовина, когато заздравее, той възвръща 100 процента от силата си“, каза Демирел.

Метин Сити е директор на отдела за физическо разузнаване в Института Макс Планк за интелигентни системи, Щутгарт, Германия.

„Самовъзстановяващите се физически интелигентни меки материали са от съществено значение за изграждането на здрави и устойчиви на грешки меки роботи и задвижващи механизми в близко бъдеще“, каза Сити.

Екипът успя да създаде бързо заздравяващия мек полимер чрез регулиране на броя на тандемните повторения. Той е в състояние да запази първоначалната си здравина и в същото време те успяха да направят полимера 100% биоразградим и 100% рециклируем в същия полимер. 

Полимери на петролна основа

„Искаме да сведем до минимум използването на полимери на петролна основа по много причини“, каза Демирел. „Рано или късно ще ни свърши петролът, който също замърсява и причинява глобално затопляне. Не можем да се конкурираме с наистина евтините пластмаси. Единственият начин да се конкурираме е да доставяме нещо, което полимерите на петролна основа не могат да доставят, а самовъзстановяването осигурява необходимата производителност.

Според Демирел много от полимерите на петролна основа могат да бъдат рециклирани, но това трябва да бъде нещо различно. 

Биомиметичните полимери са в състояние да се биоразграждат, а киселини като оцет могат да го рециклират в прах, който след това може да бъде произведен в оригиналния самовъзстановяващ се полимер. 

Стефани МакЕлхини е програмен мениджър по биохимия в Службата за научни изследвания на армията. 

„Това изследване осветява ландшафта на материалните свойства, които стават достъпни, като надхвърлят протеините, които съществуват в природата, използвайки подходи на синтетична биология, каза МакЕлхини. „Бързото и силно самовъзстановяване на тези синтетични протеини демонстрира потенциала на този подход за доставяне на нови материали за бъдещи армейски приложения, като лично защитно оборудване или гъвкави роботи, които могат да маневрират в затворени пространства.“