Vědci vyvinuli samo-regenerační měkké robotické aktuátory

Tým výzkumníků z Penn State University vyvinul řešení proti opotřebení měkkých robotických aktuatorů způsobené opakovanou činností: samo-regenerační biosyntetický polymer na bázi zubů kalmarů. Tento materiál je prospěšný pro aktuátory, ale může být také aplikován všude, kde by malé díry mohly způsobit problémy, jako jsou například ochranné obleky.

Podle zprávy v Nature Materials, „Současné samo-regenerační materiály mají nedostatky, které omezují jejich praktické použití, jako je nízká regenerační síla a dlouhá regenerační doba (hodiny).“

Inspirace přišla z samo-regeneračních tvorů v přírodě, výzkumníci vytvořili vysoce pevné syntetické proteiny. Tyto proteiny jsou schopné samo-regenerace i při viditelném poškození.

Melik Demirel je profesor inženýrské vědy a mechaniky a držitel Lloyd a Dorothy Foehr Huch Chair v biomimetických materiálech.

„Naším cílem je vytvořit samo-regenerační programovatelné materiály s bezprecedentní kontrolou nad jejich fyzikálními vlastnostmi pomocí syntetické biologie,” řekl.

Robotické ramena a protézy

Některé robotické stroje, jako jsou robotická ramena a protetické nohy, závisí na kloubech, které jsou neustále v pohybu. To vyžaduje měkký materiál, a totéž platí pro ventilátory a různé typy osobních ochranných prostředků. Tyto materiály, a všechny, které podléhají neustálému opakovanému pohybu, jsou ohroženy vývojem malých trhlin a prasklin, které nakonec povedou k jejich rozbití. S pomocí samo-regeneračního materiálu lze tyto malé trhliny rychle opravit, než dojde k vážnému poškození.

DNA tandemové opakované sekvence

Tým výzkumníků vytvořil samo-regenerační polymer pomocí série DNA tandemových opakovaných sekvencí složených z aminokyselin produkovaných genovou duplikací. Tandemové opakované sekvence jsou často krátká série molekul, které se mohou opakovat neomezeně.

Abdon Pena-Francelsch je hlavní autor článku a bývalý doktorand v Demirelově laboratoři.

„Byli jsme schopni zkrátit typickou 24hodinovou regenerační dobu na jednu sekundu, takže naše proteinové měkké roboty mohou nyní okamžitě opravovat sebe,” řekl Abdon Pena-Francelsch. „V přírodě trvá samo-regenerace dlouho. V tomto smyslu naše technologie předčí přírodu.”

Podle Demirela lze samo-regenerační polymer regenerovat pomocí vody, tepla a dokonce i světla.

„Pokud tento polymer rozřežete na polovinu, po regeneraci získá zpět 100 procent své síly,” řekl Demirel.

Metin Sitti je ředitelem Oddělení fyzikální inteligence v Max Planck Institute for Intelligent Systems, Stuttgart, Německo.

„Samo-reparující fyzicky inteligentní měkké materiály jsou nezbytné pro stavbu robustních a chybových měkkých robotů a aktuatorů v blízké budoucnosti,” řekl Sitti.

Tým byl schopen vytvořit rychle regenerující měkký polymer úpravou počtu tandemových opakovaných sekvencí. Tento polymer je schopen zachovat svou původní sílu a zároveň je 100% biologicky odbouratelný a 100% recyklovatelný do stejného polymeru.

https://www.youtube.com/watch?v=xTmgXnnG27k

Ropa-založené polymery

„Chceme minimalizovat použití ropa-založených polymerů z mnoha důvodů,” řekl Demirel. „Brzy nebo později budeme vyčerpány zdroje ropy a je to také znečišťuje a způsobuje globální oteplování. Nemůžeme soutěžit s velmi levnými plasty. Jediný způsob, jak soutěžit, je nabídnout něco, co ropa-založené polymery nemohou dodat, a samo-regenerace poskytuje potřebný výkon.”

Podle Demirela lze mnoho ropa-založených polymerů recyklovat, ale musí být recyklovány do něčeho jiného.

Biomimetické polymery jsou schopné biologicky se rozložit a kyseliny, jako je ocet, jsou schopné recyklovat je do prášku, který lze poté vyrobit zpět do původního samo-regeneračního polymeru.

Stephanie McElhinny je manažer programu biochemie v Armádním výzkumném úřadu.

„Tento výzkum osvětlí krajinu materiálových vlastností, které jsou dostupné tím, že jdou za proteiny, které existují v přírodě, pomocí syntetických biologických přístupů, McElhinny řekl. „Rychlá a vysoce pevná samo-regenerace těchto syntetických proteinů demonstruje potenciál tohoto přístupu dodat nové materiály pro budoucí armádní aplikace, jako jsou osobní ochranné prostředky nebo flexibilní roboty, které by mohly manévrovat v uzavřených prostorech.”