Forskere udvikler selvhelende bløde robotaktuatorer

Et hold af forskere fra Penn State University har udviklet en løsning til slid på bløde robotaktuatorer på grund af gentagen aktivitet: en selvhelende, biosyntetisk polymer baseret på blæksprutte-tænder. Materialet er nyttigt for aktuatorer, men det kan også anvendes hvor små huller kan forårsage problemer, såsom i kemikalsikkerhedsdragter.

Ifølge rapporten i Nature Materials, “Nuværende selvhelende materialer har begrænsninger, der begrænser deres praktiske anvendelse, såsom lav helingsstyrke og lang helingstid (timer).”

Ved at tage inspiration fra selvhelende væsener i naturen, skabte forskerne højstyrke syntetiske proteiner. De kan selvhelende minimale og synlige skader.

Melik Demirel er professor i ingeniørvidenskab og mekanik og indehaver af Lloyd og Dorothy Foehr Huch-kæden i biomimetiske materialer.

“Vores mål er at skabe selvhelende programmerbare materialer med uhørt kontrol over deres fysiske egenskaber ved hjælp af syntetisk biologi,” sagde han.

Robotic Arms and Prosthetics

Nogle robotmaskiner, såsom robotarme og proteser, afhænger af led, der konstant bevæger sig. Dette kræver et blødt materiale, og det samme gælder for ventilatorer og forskellige typer personlige beskyttelsesudstyr. Disse materialer og alle, der undergår kontinuerlig gentagen bevægelse, er i risiko for at udvikle små rifter og revner, der til sidst kan føre til brud. Med brug af selvhelende materiale kan disse små rifter hurtigt repareres, før nogen alvorlig skade er sket.

DNA Tandem Repeats

Forskerholdet skabte den selvhelende polymer ved at bruge en række DNA-tandem-gentagelser bestående af aminosyrer produceret af gen-duplikation. Tandem-gentagelser er ofte en kort række af molekyler, der kan gentage sig selv en ubegrænset antal gange.

Abdon Pena-Francelsch er hovedforfatter af artiklen og en tidligere ph.d.-studerende i Demirels laboratorium.

“Vi kunne reducere en typisk 24-timers helingsperiode til én sekund, så vores proteinbaserede bløde robotter nu kan reparere sig selv med det samme,” sagde Abdon Pena-Francelsch. “I naturen tager selvhelning lang tid. I denne forstand overgår vores teknologi naturen.”

Ifølge Demirel kan den selvhelende polymer helbrede sig selv med anvendelse af vand, varme og endda lys.

“Hvis du skærer denne polymer midt over, så vinder den 100 procent af sin styrke tilbage, når den helbreder,” sagde Demirel.

Metin Sitti er direktør for afdelingen for fysisk intelligens ved Max Planck-instituttet for intelligente systemer, Stuttgart, Tyskland.

“Selv-reparérbar fysisk intelligent blødt materiale er essentiel for at bygge robuste og fejl-tolerante bløde robotter og aktuatorer i den nærmeste fremtid,” sagde Sitti.

Holdet kunne skabe den hurtigt-helende bløde polymer ved at justere antallet af tandem-gentagelser. Den kan fastholde sin oprindelige styrke, og samtidig kunne de gøre polymeren 100 procent biologisk nedbrydelig og 100 procent genanvendelig til den samme polymer.

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

Petroleum-Based Polymers

“Vi ønsker at minimere brugen af petroleum-baserede polymerer af mange grunde,” sagde Demirel. “Tidligt eller sent vil vi løbe tør for petroleum, og det er også forurener og forårsager global opvarmning. Vi kan ikke konkurrere med de rigtig billige plastikmaterialer. Den eneste måde at konkurrere på er at levere noget, som petroleum-baserede polymerer ikke kan levere, og selvhelning giver den nødvendige præstation.”

Ifølge Demirel kan mange af de petroleum-baserede polymerer genanvendes, men det skal være til noget andet.

De biomimetiske polymerer kan biologisk nedbrydes, og syrer som eddike kan genanvende det til et pulver, der herefter kan produceres til den oprindelige selvhelende polymer.

Stephanie McElhinny er programleder for bio-kemi på hær-forskningskontoret.

“Denne forskning belyser landskabet af materialegenskaber, der bliver tilgængelige ved at gå ud over proteiner, der findes i naturen, ved hjælp af syntetisk biologi-tilgange, sagde McElhinny. “Den hurtige og høj-styrke selvhelende af disse syntetiske proteiner demonstrerer potentialet for denne tilgang til at levere nyt materiale til fremtidige hær-anvendelser, såsom personligt beskyttelsesudstyr eller fleksible robotter, der kan manøvrere i begrænsede rum.”