Forscher entwickeln selbstheilende Soft-Roboter-Aktuatoren

Ein Forscherteam der Penn State University hat eine Lösung für den Verschleiß weicher Roboteraktuatoren aufgrund wiederholter Aktivität entwickelt: ein selbstheilendes, biosynthetisches Polymer auf Basis von Tintenfischringzähnen. Das Material ist für Aktuatoren von Vorteil, könnte aber auch überall dort eingesetzt werden, wo winzige Löcher Probleme verursachen könnten, beispielsweise bei Schutzanzügen.

Laut dem Bericht in Nature Materials, „Aktuelle selbstheilende Materialien weisen Mängel auf, die ihre praktische Anwendung einschränken, wie z. B. eine geringe Heilungsstärke und lange Heilungszeiten (Stunden).“ 

Die Forscher ließen sich von selbstheilenden Lebewesen in der Natur inspirieren und schufen hochfeste synthetische Proteine. Sie sind in der Lage, kleinste und sichtbare Schäden selbst zu heilen.

Melik Demirel ist Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Inhaber des Lloyd and Dorothy Foehr Huch Chair in Biomimetic Materials.

„Unser Ziel ist es, mithilfe der synthetischen Biologie selbstheilende programmierbare Materialien mit beispielloser Kontrolle über ihre physikalischen Eigenschaften zu schaffen“, sagte er. 

Roboterarme und Prothetik

Einige Robotermaschinen wie Roboterarme und Beinprothesen sind auf Gelenke angewiesen, die sich ständig bewegen. Dies erfordert ein weiches Material, das Gleiche gilt für Beatmungsgeräte und verschiedene Arten persönlicher Schutzausrüstung. Bei diesen Materialien und allen Materialien, die ständigen, sich wiederholenden Bewegungen ausgesetzt sind, besteht die Gefahr, dass sich kleine Risse und Risse bilden, die schließlich brechen. Durch die Verwendung von selbstheilendem Material können diese winzigen Risse schnell repariert werden, bevor ernsthafte Schäden entstehen. 

DNA-Tandem-Wiederholungen

Das Forscherteam schuf das selbstheilende Polymer mithilfe einer Reihe von DNA-Tandemwiederholungen, die aus durch Genduplikation erzeugten Aminosäuren bestehen. Tandem-Wiederholungen sind oft eine kurze Reihe von Molekülen, die sich unbegrenzt oft wiederholen können. 

Abdon Pena-Francelsch ist Hauptautor der Arbeit und ehemaliger Doktorand in Demirels Labor.

„Wir konnten eine typische 24-Stunden-Heilungszeit auf eine Sekunde verkürzen, sodass sich unsere proteinbasierten Softroboter jetzt sofort selbst reparieren können“, sagte Abdon Pena-Francelsch. „In der Natur dauert die Selbstheilung lange. In diesem Sinne überlistet unsere Technologie die Natur.“

Laut Demirel kann sich das selbstheilende Polymer durch die Anwendung von Wasser, Wärme und sogar Licht selbst heilen. 

„Wenn man dieses Polymer halbiert, gewinnt es beim Aushärten wieder zu 100 Prozent seiner Festigkeit zurück“, sagte Demirel.

Metin Sitti ist Direktor der Abteilung Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart, Deutschland.

„Selbstreparierende physikalisch intelligente weiche Materialien sind für den Bau robuster und fehlertoleranter weicher Roboter und Aktuatoren in naher Zukunft unerlässlich“, sagte Sitti.

Das Team konnte das schnell heilende weiche Polymer herstellen, indem es die Anzahl der Tandemwiederholungen anpasste. Es ist in der Lage, seine ursprüngliche Festigkeit beizubehalten, und gleichzeitig konnten sie das Polymer zu 100 % biologisch abbaubar und zu 100 % recycelbar machen. 

Polymere auf Erdölbasis

„Wir wollen den Einsatz erdölbasierter Polymere aus vielen Gründen minimieren“, sagte Demirel. „Früher oder später wird uns das Erdöl ausgehen, und es ist außerdem umweltschädlich und verursacht die globale Erwärmung.“ Mit den wirklich preiswerten Kunststoffen können wir nicht konkurrieren. Die einzige Möglichkeit, konkurrenzfähig zu sein, besteht darin, etwas bereitzustellen, was die erdölbasierten Polymere nicht leisten können, und die Selbstheilung sorgt für die erforderliche Leistung.“

Laut Demirel können viele der erdölbasierten Polymere recycelt werden, allerdings muss es zu etwas anderem verarbeitet werden. 

Die biomimetischen Polymere sind in der Lage, biologisch abgebaut zu werden, und Säuren wie Essig können sie zu einem Pulver recyceln, das dann zum ursprünglichen selbstheilenden Polymer verarbeitet werden kann. 

Stephanie McElhinny ist Biochemie-Programmmanagerin beim Army Research Office. 

„Diese Forschung beleuchtet die Landschaft der Materialeigenschaften, die zugänglich werden, indem man mit Ansätzen der synthetischen Biologie über die in der Natur vorkommenden Proteine ​​hinausgeht“, sagte McElhinny. „Die schnelle und hochwirksame Selbstheilung dieser synthetischen Proteine ​​zeigt das Potenzial dieses Ansatzes zur Bereitstellung neuartiger Materialien für zukünftige Armeeanwendungen, beispielsweise persönliche Schutzausrüstung oder flexible Roboter, die auf engstem Raum manövrieren können.“