Investigadores desarrollan actuadores robóticos blandos autorreparables

Un equipo de investigadores de la Universidad de Penn State ha desarrollado una solución para el desgaste de los actuadores robóticos blandos debido a la actividad repetida: un polímero biosintético autorreparable basado en dientes de anillo de calamar. El material es beneficioso para los actuadores, pero también podría aplicarse en cualquier lugar donde los pequeños agujeros puedan causar problemas, como los trajes para materiales peligrosos.

Según el informe en Nature Materials, “Los materiales de autorreparación actuales tienen deficiencias que limitan su aplicación práctica, como una baja resistencia a la curación y largos tiempos de curación (horas)”. 

Inspirándose en las criaturas autocurativas de la naturaleza, los investigadores crearon proteínas sintéticas de alta resistencia. Son capaces de autocurarse de daños diminutos y visibles.

Melik Demirel es profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica y titular de la cátedra Lloyd and Dorothy Foehr Huch en materiales biomiméticos.

“Nuestro objetivo es crear materiales programables de autorreparación con un control sin precedentes sobre sus propiedades físicas utilizando biología sintética”, dijo. 

Brazos robóticos y prótesis

Algunas máquinas robóticas, como los brazos robóticos y las prótesis de piernas, se basan en articulaciones que se mueven constantemente. Esto requiere un material blando, y lo mismo ocurre con los ventiladores y varios tipos de equipos de protección personal. Estos materiales, y cualquiera que se someta a un movimiento repetitivo continuo, corren el riesgo de desarrollar pequeños desgarros y grietas, y eventualmente romperse. Con el uso de material autorreparable, estos pequeños desgarros se pueden reparar rápidamente antes de que se produzcan daños graves. 

Repeticiones en tándem de ADN

El equipo de investigadores creó el polímero de autorreparación mediante el uso de una serie de repeticiones en tándem de ADN que consisten en aminoácidos producidos por la duplicación de genes. Las repeticiones en tándem son a menudo una serie corta de moléculas que pueden repetirse un número ilimitado de veces. 

Abdon Pena-Francelsch es el autor principal del artículo y ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Demirel.

“Pudimos reducir un período de curación típico de 24 horas a un segundo, por lo que nuestros robots blandos basados ​​en proteínas ahora pueden repararse solos de inmediato”, dijo Abdon Pena-Francelsch. “En la naturaleza, la autocuración lleva mucho tiempo. En este sentido, nuestra tecnología supera a la naturaleza”.

Según Demirel, el polímero autorreparable puede curarse solo con la aplicación de agua, calor e incluso luz. 

“Si cortas este polímero por la mitad, cuando cura recupera el 100 por ciento de su fuerza”, dijo Demirel.

Metin Sitti es director del Departamento de Inteligencia Física del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes, Stuttgart, Alemania.

“Los materiales blandos físicamente inteligentes que se reparan a sí mismos son esenciales para construir actuadores y robots blandos robustos y tolerantes a fallas en el futuro cercano”, dijo Sitti.

El equipo pudo crear el polímero blando de curación rápida ajustando el número de repeticiones en tándem. Es capaz de conservar su resistencia original y, al mismo tiempo, pudieron hacer que el polímero fuera 100 % biodegradable y 100 % reciclable en el mismo polímero. 

Polímeros a base de petróleo

“Queremos minimizar el uso de polímeros a base de petróleo por muchas razones”, dijo Demirel. “Tarde o temprano nos quedaremos sin petróleo y además está contaminando y provocando el calentamiento global. No podemos competir con los plásticos realmente económicos. La única forma de competir es ofrecer algo que los polímeros a base de petróleo no pueden ofrecer y la autocuración proporciona el rendimiento necesario”.

Según Demirel, muchos de los polímeros a base de petróleo se pueden reciclar, pero tiene que ser algo diferente. 

Los polímeros biomiméticos pueden biodegradarse, y los ácidos como el vinagre pueden reciclarlo en un polvo que luego se puede fabricar en el polímero autorreparable original. 

Stephanie McElhinny es gerente del programa de bioquímica en la Oficina de Investigación del Ejército. 

“Esta investigación ilumina el panorama de las propiedades materiales que se vuelven accesibles al ir más allá de las proteínas que existen en la naturaleza utilizando enfoques de biología sintética”, dijo McElhinny. “La autocuración rápida y de alta resistencia de estas proteínas sintéticas demuestra el potencial de este enfoque para ofrecer materiales novedosos para futuras aplicaciones del Ejército, como equipos de protección personal o robots flexibles que podrían maniobrar en espacios reducidos”.