I ricercatori sviluppano attuatori robotici morbidi auto-rigeneranti

Un team di ricercatori dell’Università statale della Pennsylvania ha sviluppato una soluzione per l’usura degli attuatori robotici morbidi a causa dell’attività ripetuta: un polimero biosintetico auto-rigenerante basato sui denti anulari delle seppie. Il materiale è benefico per gli attuatori, ma potrebbe anche essere applicato ovunque le piccole cavità potrebbero causare problemi, come ad esempio le tute per sostanze pericolose.

Secondo il rapporto pubblicato su Nature Materials, “I materiali auto-rigeneranti attuali hanno limiti che ne limitano l’applicazione pratica, come la bassa resistenza alla rottura e i lunghi tempi di rigenerazione (ore).”

Traslando l’ispirazione dalle creature auto-rigeneranti presenti in natura, i ricercatori hanno creato proteine sintetiche ad alta resistenza. Sono in grado di auto-rigenerare danni minimi e visibili.

Melik Demirel è professore di ingegneria e scienza dei materiali e detentore della cattedra Lloyd e Dorothy Foehr Huch in Materiali biomimetici.

“Il nostro obiettivo è creare materiali programmabili auto-rigeneranti con un controllo senza precedenti sulle loro proprietà fisiche utilizzando la biologia sintetica”, ha detto.

Bracci robotici e protesi

Alcune macchine robotiche, come ad esempio i bracci robotici e le gambe protesiche, si basano su articolazioni che si muovono costantemente. Ciò richiede un materiale morbido, e lo stesso vale per i ventilatori e vari tipi di dispositivi di protezione individuale. Questi materiali, e qualsiasi materiale soggetto a movimento ripetitivo, sono a rischio di sviluppare piccole crepe e fessure, che alla fine possono portare alla rottura. Con l’uso di materiali auto-rigeneranti, queste piccole crepe possono essere riparate rapidamente prima che si verifichi un danno grave.

Ripeti di tandem del DNA

Il team di ricercatori ha creato il polimero auto-rigenerante utilizzando una serie di ripeti di tandem del DNA costituiti da aminoacidi prodotti dalla duplicazione genica. I ripeti di 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 e un ex studente di dottorato nel laboratorio di Demirel.

“Siamo riusciti a ridurre un periodo di rigenerazione tipico di 24 ore a un solo secondo, quindi i nostri robot morbidi a base di proteine possono ora ripararsi immediatamente”, ha detto Abdon Pena-Francelsch. “In natura, l’auto-rigenerazione richiede molto tempo. In questo senso, la nostra tecnologia supera la natura.”

Secondo Demirel, il polimero auto-rigenerante può rigenerarsi con l’applicazione di acqua, calore e anche luce.

“Se si taglia questo polimero a metà, quando si rigenera, recupera il 100% della sua resistenza”, ha detto Demirel.

Metin Sitti è il direttore del Dipartimento di intelligenza fisica presso l’Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti, Stoccarda, Germania.

“I materiali morbidi auto-rigeneranti sono essenziali per costruire robot e attuatori morbidi robusti e tolleranti ai guasti nel prossimo futuro”, ha detto Sitti.

Il team è riuscito a creare il polimero morbido auto-rigenerante rapidamente regolando il numero di ripeti di tandem. È in grado di mantenere la sua resistenza originale e, allo stesso tempo, sono riusciti a rendere il polimero biodegradabile al 100% e riciclabile al 100% nello stesso polimero.

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Polimeri a base di petrolio

“Vogliamo minimizzare l’uso di polimeri a base di petrolio per molti motivi”, ha detto Demirel. “Prima o poi esauriremo le riserve di petrolio e inoltre è inquinante e causa il riscaldamento globale. Non possiamo competere con i plastici molto economici. L’unico modo per competere è offrire qualcosa che i polimeri a base di petrolio non possono offrire e l’auto-rigenerazione fornisce le prestazioni necessarie.”

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

I polimeri biomimetici possono biodegradarsi e acidi come l’aceto possono riciclarli in polvere che può essere poi trasformata nel polimero auto-rigenerante originale.

Stephanie McElhinny è un gestore di programmi di biochimica presso l’Ufficio di ricerca dell’Esercito.

“Questa ricerca illumina il paesaggio delle proprietà dei materiali che diventano accessibili andando oltre le proteine che esistono in natura utilizzando approcci di biologia sintetica, ha detto McElhinny. “L’auto-rigenerazione rapida e ad alta resistenza di queste proteine sintetiche dimostra il potenziale di questo approccio per fornire materiali innovativi per future applicazioni dell’Esercito, come ad esempio dispositivi di protezione individuale o robot flessibili che potrebbero manovrare in spazi ristretti.”