Istraživači razvijaju samoiscjeljujuće meke robotske aktuatore

Tim istraživača na Sveučilištu Penn State razvio je rješenje za trošenje mekih robotskih pokretača zbog ponovljene aktivnosti: samoizlječivi, biosintetski polimer temeljen na prstenastim zubima lignje. Materijal je koristan za aktuatore, ali se također može primijeniti svugdje gdje bi sićušne rupe mogle uzrokovati probleme, kao što su zaštitna odijela.

Prema izvješću u Prirodni materijali, "Trenutni samozacjeljujući materijali imaju nedostatke koji ograničavaju njihovu praktičnu primjenu, kao što je niska snaga zacjeljivanja i dugo vrijeme zacjeljivanja (sati)." 

Crpeći inspiraciju iz bića u prirodi koja se sama izlječuju, istraživači su stvorili sintetičke proteine ​​visoke čvrstoće. Sposobni su sami zaliječiti sitna i vidljiva oštećenja.

Melik Demirel je profesor inženjerskih znanosti i mehanike i nositelj katedre Lloyd i Dorothy Foehr Huch za biomimetičke materijale.

“Naš cilj je stvoriti samozacjeljujuće programabilne materijale s neviđenom kontrolom nad njihovim fizičkim svojstvima korištenjem sintetičke biologije”, rekao je. 

Robotske ruke i protetika

Neki robotski strojevi, poput robotskih ruku i protetičkih nogu, oslanjaju se na zglobove koji se neprestano pomiču. Za to je potreban mekani materijal, a isto vrijedi i za ventilatore i razne vrste osobne zaštitne opreme. Ovi materijali, kao i svi oni koji su podvrgnuti stalnom ponavljajućem kretanju, izloženi su riziku od razvoja malih poderotina i pukotina, te na kraju do pucanja. Upotrebom samozacjeljujućeg materijala, ove malene poderotine mogu se brzo popraviti prije nego što se napravi bilo kakva ozbiljna šteta. 

DNK tandem ponavljanja

Tim istraživača stvorio je samoizlječivi polimer korištenjem niza DNK tandem ponavljanja koja se sastoje od aminokiselina proizvedenih dupliciranjem gena. Tandemska ponavljanja često su kratke serije molekula koje se mogu ponavljati neograničen broj puta. 

Abdon Pena-Francelsch je glavni autor rada i bivši doktorand u Demirelovom laboratoriju.

"Uspjeli smo smanjiti tipično 24-satno razdoblje zacjeljivanja na jednu sekundu tako da se naši mekani roboti temeljeni na proteinima sada mogu odmah popraviti", rekao je Abdon Pena-Francelsch. “U prirodi samoizlječenje traje dugo. U tom smislu, naša tehnologija nadmudruje prirodu.”

Prema Demirelu, samoizlječivi polimer može sam sebe izliječiti primjenom vode, topline, pa čak i svjetlosti. 

"Ako ovaj polimer prerežete na pola, kad zacijeli, vraća 100 posto svoje snage", rekao je Demirel.

Metin Sitti je direktor Odjela za fizičku inteligenciju na Institutu Max Planck za inteligentne sustave, Stuttgart, Njemačka.

"Samopopravljivi fizički inteligentni mekani materijali ključni su za izgradnju robusnih mekanih robota i aktuatora otpornih na pogreške u bliskoj budućnosti", rekao je Sitti.

Tim je uspio stvoriti mekani polimer koji brzo zacjeljuje prilagođavanjem broja tandemskih ponavljanja. Sposoban je zadržati svoju izvornu snagu, au isto vrijeme, uspjeli su učiniti polimer 100% biorazgradivim i 100% reciklirajućim u isti polimer. 

Polimeri na bazi nafte

"Želimo smanjiti upotrebu polimera na bazi nafte iz mnogo razloga", rekao je Demirel. “Prije ili kasnije ostat ćemo bez nafte, a ona također zagađuje i uzrokuje globalno zatopljenje. Ne možemo se natjecati s stvarno jeftinom plastikom. Jedini način natjecanja je isporuka nečega što polimeri na bazi nafte ne mogu isporučiti, a samoozdravljenje osigurava potrebnu izvedbu.”

Prema Demirelu, mnogi polimeri na bazi nafte mogu se reciklirati, ali to mora biti u nešto drugo. 

Biomimetički polimeri mogu se biorazgraditi, a kiseline poput octa mogu ga reciklirati u prah koji se zatim može proizvesti u originalni samoizlječivi polimer. 

Stephanie McElhinny voditeljica je biokemijskog programa u Uredu za istraživanje vojske. 

"Ovo istraživanje osvjetljava krajolik materijalnih svojstava koja postaju dostupna nadilazeći proteine ​​koji postoje u prirodi korištenjem pristupa sintetske biologije", rekao je McElhinny. "Brzo i snažno samoozdravljenje ovih sintetičkih proteina pokazuje potencijal ovog pristupa za isporuku novih materijala za buduće vojne primjene, kao što su osobna zaštitna oprema ili fleksibilni roboti koji mogu manevrirati u ograničenim prostorima."