Forscher entwickeln selbstheilende Weichroboter-Aktuatoren

Ein Team von Forschern an der Penn State University hat eine Lösung für den Verschleiß an Weichroboter-Aktuatoren aufgrund wiederholter Aktivität entwickelt: ein selbstheilendes, biosynthetisches Polymer auf Basis von Kalmar-Ringzähnen. Das Material ist vorteilhaft für Aktuatoren, aber es könnte auch überall angewendet werden, wo kleine Löcher Probleme verursachen könnten, wie zum Beispiel in Schutzanzügen.

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

Durch die Inspiration aus selbstheilenden Lebewesen in der Natur schufen die Forscher hochfestes synthetisches Protein. Es kann sich selbst von winzigen und sichtbaren Schäden heilen.

Melik Demirel ist Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Inhaber des Lloyd- und Dorothy-Foehr-Huch-Lehrstuhls für Biomimetische Materialien.

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

Roboterarme und Prothesen

Einige Roboter, wie z. B. Roboterarme und Prothesen, verlassen sich auf Gelenke, die ständig in Bewegung sind. Dies erfordert ein weiches Material, und dasselbe gilt für Beatmungsgeräte und verschiedene Arten von Schutzanzügen. Diese Materialien und alle, die einer ständigen wiederholten Bewegung unterliegen, sind gefährdet, kleine Risse und Sprünge zu entwickeln, die letztendlich brechen. Mit der Verwendung von selbstheilendem Material können diese kleinen Risse schnell repariert werden, bevor ernsthafter Schaden entsteht.

DNA-Tandem-Wiederholungen

Das Team von Forschern schuf das selbstheilende Polymer, indem es eine Reihe von DNA-Tandem-Wiederholungen verwendete, die aus Aminosäuren bestehen, die durch Genduplizierung produziert werden. Tandem-Wiederholungen sind oft eine kurze Reihe von Molekülen, die sich unbegrenzt wiederholen können.

Abdon Pena-Francelsch ist der erste Autor des Artikels und ehemaliger Doktorand in Demirels Labor.

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

Laut Demirel kann das selbstheilende Polymer sich mit der Anwendung von Wasser, Wärme und sogar Licht heilen.

„Wenn Sie dieses Polymer in zwei Hälften schneiden, gewinnt es nach der Heilung 100 Prozent seiner Stärke zurück“, sagte Demirel.

Metin Sitti ist Direktor des Departments für Physikalische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart, Deutschland.

„Selbstreparierende physikalisch intelligente Weichmaterialien sind für den Bau robuster und fehlertoleranter Weichroboter und Aktuatoren in naher Zukunft unerlässlich“, sagte Sitti.

Das Team konnte das schnell heilende Weichpolymer schaffen, indem es die Anzahl der Tandem-Wiederholungen anpasste. Es kann seine ursprüngliche Stärke beibehalten und gleichzeitig ist es 100 Prozent biologisch abbaubar und 100 Prozent recycelbar in das gleiche Polymer.

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Ölbasierte Polymere

„Wir möchten den Einsatz von ölbasierten Polymeren aus vielen Gründen minimieren“, sagte Demirel. „Früher oder später werden wir das Öl aufbrauchen, und es verursacht auch Verschmutzung und globale Erwärmung. Wir können nicht mit den wirklich billigen Kunststoffen konkurrieren. Der einzige Weg, um zu konkurrieren, ist, etwas zu liefern, was die ölbasierten Polymere nicht liefern können, und die Selbstheilung liefert die erforderliche Leistung.“

Laut Demirel können viele der ölbasierten Polymere recycelt werden, aber es muss in etwas anderes recycelt werden.

Die biomimetischen Polymere können biologisch abgebaut werden, und Säuren wie Essig können es in ein Pulver recyceln, das dann in das ursprüngliche selbstheilende Polymer hergestellt werden kann.

Stephanie McElhinny ist Programm-Managerin für Biochemie am Army Research Office.

„Diese Forschung beleuchtet die Landschaft der Materialien, die durch die Verwendung von synthetischer Biologie zugänglich werden, indem man über die in der Natur vorkommenden Proteine hinausgeht“, sagte McElhinny. „Die schnelle und hochfestige Selbstheilung dieser synthetischen Proteine zeigt das Potenzial dieses Ansatzes, um neue Materialien für zukünftige Anwendungen der Armee zu liefern, wie z. B. persönliche Schutzausrüstung oder flexible Roboter, die in engen Räumen manövrieren können.“