I ricercatori sviluppano attuatori robot morbidi autorigeneranti

Un team di ricercatori della Penn State University ha sviluppato una soluzione all'usura degli attuatori robotici morbidi dovuta all'attività ripetuta: un polimero biosintetico autorigenerante basato su denti ad anello di calamaro. Il materiale è vantaggioso per gli attuatori, ma potrebbe anche essere applicato ovunque i piccoli fori potrebbero causare problemi, come le tute ignifughe.

Secondo il rapporto in Nature Materials, "Gli attuali materiali autorigeneranti presentano carenze che limitano la loro applicazione pratica, come la bassa forza di guarigione e i lunghi tempi di guarigione (ore)." 

Ispirandosi alle creature auto-guaritrici presenti in natura, i ricercatori hanno creato proteine ​​sintetiche ad alta resistenza. Sono in grado di auto-guarire danni minuti e visibili.

Melik Demirel è professore di ingegneria e meccanica e titolare della cattedra Lloyd e Dorothy Foehr Huch in materiali biomimetici.

"Il nostro obiettivo è creare materiali programmabili autorigeneranti con un controllo senza precedenti sulle loro proprietà fisiche utilizzando la biologia sintetica", ha affermato. 

Braccia robotiche e protesi

Alcune macchine robotiche, come braccia robotiche e gambe protesiche, si basano su articolazioni in costante movimento. Ciò richiede un materiale morbido, e lo stesso vale per i ventilatori e vari tipi di dispositivi di protezione individuale. Questi materiali, e quelli sottoposti a continui movimenti ripetitivi, rischiano di sviluppare piccoli strappi e crepe, fino a rompersi. Con l'uso di materiale autorigenerante, queste minuscole lacerazioni possono essere rapidamente riparate prima che si verifichino danni seri. 

Ripetizioni in tandem del DNA

Il team di ricercatori ha creato il polimero autorigenerante utilizzando una serie di ripetizioni in tandem del DNA costituite da amminoacidi prodotti dalla duplicazione genica. Le ripetizioni in tandem sono spesso una breve serie di molecole che possono ripetersi un numero illimitato di volte. 

Abdon Pena-Francelsch è l'autore principale del documento ed ex studente di dottorato nel laboratorio di Demirel.

"Siamo stati in grado di ridurre un tipico periodo di guarigione di 24 ore a un secondo, in modo che i nostri robot morbidi a base di proteine ​​possano ora ripararsi immediatamente", ha affermato Abdon Pena-Francelsch. “In natura, l'autoguarigione richiede molto tempo. In questo senso, la nostra tecnologia supera in astuzia la natura”.

Secondo Demirel, il polimero autorigenerante può guarire se stesso con l'applicazione di acqua, calore e persino luce. 

"Se tagli questo polimero a metà, quando guarisce recupera il 100 percento della sua forza", ha detto Demirel.

Metin Sitti è direttore del Dipartimento di Intelligenza Fisica presso il Max Planck Instiute for Intelligent Systems, Stoccarda, Germania.

"I materiali morbidi fisicamente intelligenti e autoriparanti sono essenziali per la costruzione di robot e attuatori robusti e tolleranti ai guasti nel prossimo futuro", ha affermato Sitti.

Il team è stato in grado di creare il polimero morbido a guarigione rapida regolando il numero di ripetizioni in tandem. È in grado di mantenere la sua forza originale e, allo stesso tempo, sono stati in grado di rendere il polimero biodegradabile al 100% e riciclabile al 100% nello stesso polimero. 

Polimeri a base di petrolio

"Vogliamo ridurre al minimo l'uso di polimeri a base di petrolio per molte ragioni", ha affermato Demirel. “Prima o poi finiremo il petrolio e sta anche inquinando e provocando il riscaldamento globale. Non possiamo competere con le plastiche davvero economiche. L'unico modo per competere è fornire qualcosa che i polimeri a base di petrolio non possono fornire e l'autoriparazione fornisce le prestazioni necessarie".

Secondo Demirel, molti dei polimeri a base di petrolio possono essere riciclati, ma deve trasformarsi in qualcosa di diverso. 

I polimeri biomimetici sono in grado di biodegradarsi e acidi come l'aceto sono in grado di riciclarlo in una polvere che può quindi essere trasformata nel polimero autorigenerante originale. 

Stephanie McElhinny è responsabile del programma di biochimica presso l'Ufficio di ricerca dell'esercito. 

“Questa ricerca illumina il panorama delle proprietà dei materiali che diventano accessibili andando oltre le proteine ​​che esistono in natura utilizzando approcci di biologia sintetica”, ha affermato McElhinny. "L'autoguarigione rapida e ad alta resistenza di queste proteine ​​sintetiche dimostra il potenziale di questo approccio per fornire nuovi materiali per future applicazioni dell'esercito, come dispositivi di protezione individuale o robot flessibili che potrebbero manovrare in spazi ristretti".