Výzkumníci vyvíjejí samoléčivé ovladače měkkých robotů

Tým výzkumníků z Penn State University vyvinul řešení opotřebení měkkých robotických aktuátorů v důsledku opakované činnosti: samoléčivý biosyntetický polymer na bázi prstencových zubů olihně. Materiál je prospěšný pro pohony, ale lze jej také použít všude tam, kde by drobné dírky mohly způsobit problémy, jako jsou ochranné obleky.

Podle zprávy v Přírodní materiály, "Současné samoléčebné materiály mají nedostatky, které omezují jejich praktickou aplikaci, jako je nízká hojivá síla a dlouhá doba hojení (hodiny). 

Na základě inspirace od samoléčebných tvorů v přírodě vytvořili vědci vysoce pevné syntetické proteiny. Jsou schopny samoléčit nepatrné a viditelné poškození.

Melik Demirel je profesorem inženýrských věd a mechaniky a držitelem křesla Lloyda a Dorothy Foehr Huch v oboru biomimetické materiály.

"Naším cílem je vytvořit samoopravitelné programovatelné materiály s bezprecedentní kontrolou nad jejich fyzikálními vlastnostmi pomocí syntetické biologie," řekl. 

Robotické paže a protetika

Některé robotické stroje, jako jsou robotické paže a protetické nohy, spoléhají na klouby, které se neustále pohybují. To vyžaduje měkký materiál a totéž platí pro ventilátory a různé typy osobních ochranných prostředků. Tyto materiály a všechny, které procházejí neustálým opakovaným pohybem, jsou vystaveny riziku vzniku malých trhlin a prasklin, případně prasknutí. S použitím samoopravného materiálu lze tyto drobné trhlinky rychle opravit, než dojde k vážnému poškození. 

DNA tandemové opakování

Tým výzkumníků vytvořil samoléčivý polymer pomocí série tandemových repetic DNA sestávajících z aminokyselin produkovaných genovou duplikací. Tandemová opakování jsou často krátká série molekul, které se mohou opakovat neomezeně mnohokrát. 

Abdon Pena-Francelsch je hlavním autorem článku a bývalým doktorandem v Demirelově laboratoři.

"Podařilo se nám zkrátit typickou 24hodinovou dobu hojení na jednu sekundu, takže naši proteinoví měkcí roboti se nyní mohou sami okamžitě opravit," řekl Abdon Pena-Francelsch. „V přírodě samoléčení trvá dlouho. V tomto smyslu naše technologie překonává přírodu.“

Podle Demirela se samoléčivý polymer dokáže sám zahojit aplikací vody, tepla a dokonce i světla. 

"Pokud tento polymer rozpůlíte, když se zahojí, získá zpět 100 procent své síly," řekl Demirel.

Metin Sitti je ředitelem oddělení fyzické inteligence v Institutu Maxe Plancka pro inteligentní systémy, Stuttgart, Německo.

"Samoopravitelné fyzicky inteligentní měkké materiály jsou nezbytné pro budování robustních a odolných měkkých robotů a pohonů v blízké budoucnosti," řekl Sitti.

Tým byl schopen vytvořit rychle se hojící měkký polymer úpravou počtu tandemových opakování. Dokáže si zachovat svou původní pevnost a zároveň dokázali vyrobit polymer 100% biologicky odbouratelný a 100% recyklovatelný na stejný polymer. 

Polymery na bázi ropy

"Chceme minimalizovat používání polymerů na bázi ropy z mnoha důvodů," řekl Demirel. „Dříve nebo později nám dojde ropa a ta také znečišťuje a způsobuje globální oteplování. Nemůžeme konkurovat skutečně levným plastům. Jediný způsob, jak konkurovat, je dodávat něco, co polymery na bázi ropy nedokážou poskytnout a samoléčení poskytuje potřebný výkon.“

Podle Demirela je mnoho polymerů na bázi ropy recyklovatelných, ale musí to být něco jiného. 

Biomimetické polymery jsou schopné biodegradace a kyseliny, jako je ocet, jsou schopny je recyklovat na prášek, který lze následně vyrobit do původního samoopravného polymeru. 

Stephanie McElhinny je programová manažerka biochemie v armádním výzkumném úřadu. 

"Tento výzkum osvětluje krajinu materiálových vlastností, které se stanou dostupnými tím, že překročíme hranice proteinů, které existují v přírodě pomocí syntetických biologických přístupů," řekl McElhinny. "Rychlé a vysoce silné samoléčení těchto syntetických proteinů demonstruje potenciál tohoto přístupu poskytnout nové materiály pro budoucí armádní aplikace, jako jsou osobní ochranné prostředky nebo flexibilní roboti, kteří by mohli manévrovat ve stísněných prostorech."