Tutkijat kehittivät itsekorjaavat pehmeät robottiaktuaattorit

Pennsylvanian yliopiston tutkijaryhmä on kehittänyt ratkaisun pehmeiden robottiaktuaattorien kulumiselle toistuvan toiminnan vuoksi: itsekorjaava, biosynteettinen polymeeri kalmarin renkaan hampaiden perusteella. Materiaali on hyödyllinen aktuaattoreille, mutta sitä voidaan soveltaa myös mihin tahansa, missä pienet reiät voivat aiheuttaa ongelmia, kuten suojapuvuissa.

Raportin mukaan Nature Materials -julkaisussa, “Nykyiset itsekorjaavat materiaalit ovat rajoittuneita käytännön sovelluksissa, kuten matala korjausvoima ja pitkät korjausajat (tunnit).”

Luennoimalla itsensä korjaavista luonnonolentojen innoittamana, tutkijat loivat korkean lujuuden omaavia synteettisiä proteiineja. Ne pystyvät itsekorjaamaan sekä pieniä että näkyviä vaurioita.

Melik Demirel on insinööritieteiden ja mekaniikan professori ja Lloyd ja Dorothy Foehr Huch -tuolin biomimeettisten materiaalien haltija.

“Tavoitteemme on luoda itsekorjaavat ohjelmoitavat materiaalit, joilla on ennenkokematon hallinta niiden fysikaalisten ominaisuuksien yllä syntetisen biologian avulla”, hän sanoi.

Robottihaarat ja proteesit

Jotkut robottilaitteet, kuten robottihaarat ja proteesijalat, riippuvat nivelet, jotka liikkuvat jatkuvasti. Tämä vaatii pehmeän materiaalin, ja sama koskee ventilaattoreita ja erilaisia suojavaatteita. Nämä materiaalit ja kaikki, jotka ovat jatkuvassa toistuvassa liikkeessä, ovat vaarassa kehittää pientä repeämää ja halkeamia, mikä lopulta johtaa materiaalin murtumiseen. Itsekorjaavan materiaalin avulla nämä pienet repeämät voidaan nopeasti korjata, ennen kuin vakava vahinko on tapahtunut.

DNA-tandem-toistot

Tutkijaryhmä loi itsekorjaavan polymeerin käyttämällä DNA-tandem-toistosarjaa, joka koostuu aminohapoista, jotka tuotetaan geenin monistamisen kautta. Tandem-toistot ovat usein lyhyt molekyyliketju, joka voi toistaa itsensä rajattoman määrän kertoja.

Abdon Pena-Francelsch on julkaisun pääkirjoittaja ja entinen tohtorikoulutettava Demirelin laboratoriossa.

“Pystyimme vähentämään 24-tunnin korjausaikaa yhteen sekuntiin, joten proteiinipohjaiset pehmeät robotit voivat nyt korjata itsensä välittömästi”, Abdon Pena-Francelsch sanoi. “Luonnossa itsekorjaus kestää pitkään. Tässä mielessä teknologiamme ylittää luonnon.”

Demirelin mukaan itsekorjaava polymeeri voi korjata itsensä veden, lämmön ja jopa valon avulla.

“Jos leikkaat tämän polymeerin kahtia, se korjaa itsensä ja palauttaa 100 prosenttia alkuperäisestä lujuudestaan”, Demirel sanoi.

Metin Sitti on fysiikan osaston johtaja Max Planck -instituutissa älykkäille järjestelmille Stuttgartissa, Saksassa.

“Itsekorjaavat fyysisesti älykkäät pehmeät materiaalit ovat välttämättömiä kestävien ja virheenkestävien pehmeiden robottien ja aktuaattorien rakentamiseen lähitulevaisuudessa”, Sitti sanoi.

Tutkijaryhmä pystyi luomaan nopeasti korjaantuvan pehmeän polymeerin säätämällä tandem-toistojen määrää. Se pystyy säilyttämään alkuperäisen lujuutensa ja samaan aikaan he pystyivät tekemään polymeerin 100 prosenttisesti biologisesti hajoavaksi ja 100 prosenttisesti kierrätettäväksi samaksi polymeeriksi.

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

Petrooliperusteiset polymeerit

“Halumme minimoida petrooliperusteisten polymeerien käytön monista syistä”, Demirel sanoi. “Jossain vaiheessa lopetamme petroolin käytön, ja se on myös saastuttavaa ja aiheuttaa ilmastonmuutosta. Emme voi kilpailla todella halpojen muovien kanssa. Ainoa tapa kilpailla on tarjota jotain, mitä petrooliperusteiset polymeerit eivät voi tarjota, ja itsekorjaus tarjoaa tarvittavan suorituskyvyn.”

Demirelin mukaan useat petrooliperusteiset polymeerit voidaan kierrättää, mutta se on tehtävä muuhun tuotteeseen.

Biomimeettiset polymeerit voivat hajota biologisesti, ja happamat aineet, kuten etikka, voivat kierrättää ne jauheeksi, josta voidaan valmistaa alkuperäinen itsekorjaava polymeeri.

Stephanie McElhinny on biokemian ohjelmapäällikkö Army Research Office -organisaatiossa.

“Tämä tutkimus valaisee materiaalien ominaisuuksien maisemaa, joka tulee saataville menemällä luonnon olemassa olevien proteiinien ulkopuolelle syntetisen biologian avulla, McElhinny sanoi. “Näiden synteettisten proteiinien nopea ja voimakas itsekorjaus osoittaa tämän lähestymistavan potentiaalin toimittaa uusia materiaaleja tulevaisuuden armeijan sovelluksiin, kuten suojaavaan varustukseen tai joustaviin roboteihin, jotka voivat liikkua ahtaisissa tiloissa.”