研究者が自己修復可能なソフトロボットアクチュエータを開発

ペンシルベニア州立大学の研究者チームは、繰り返しの動作によるソフトロボットアクチュエータの損耗に対する解決策を開発しました。イカの歯のリングから着想を得た自己修復型の生物合成ポリマーです。この材料はアクチュエータに有益ですが、ハザードスーツなどの小さな穴が問題を引き起こす可能性のある場所でも応用できます。

Nature Materialsの報告によると、「現在の自己修復材料には、低い修復強度や長い修復時間（数時間）などの欠点があり、実用的応用が制限されています。」

自然界の自己修復能力を持つ生物から着想を得て、研究者は高強度の合成タンパク質を作成しました。これらは、微小な損傷や可視的な損傷を自己修復できます。

メリク・デミレルは、工学科学および機械学の教授であり、ロイドおよびドロシー・フォーア・ハックのバイオミメティック材料椅子を占めています。

「私たちの目標は、合成生物学を使用して、物理的特性に対する前例のない制御を備えた自己修復プログラム可能材料を作成することです」と彼は述べました。

ロボットアームと義肢

一部のロボット機械、たとえばロボットアームや義肢の脚は、常に動いているジョイントに依存しています。これには柔らかい材料が必要であり、同じことがベンチレーターやさまざまな種類の個人用保護装備にも当てはまります。これらの材料や、継続的な反復動作を経験する材料は、微小な裂け目や亀裂を発生させ、最終的に破損するリスクがあります。自己修復材料を使用することで、これらの微小な裂け目は深刻な損傷が発生する前に迅速に修復できます。

DNAタンデムリピート

研究者チームは、遺伝子複製によって生成されるアミノ酸からなるDNAタンデムリピートのシリーズを使用して、自己修復ポリマーを作成しました。タンデムリピートは、無制限に繰り返すことができる短い分子のシリーズであることがよくあります。

アブドン・ペーニャ＝フランチェスは、論文の第一著者であり、デミレルの研究室の元博士課程の学生です。

「私たちは、通常24時間かかっていた修復期間を1秒に短縮することができました。したがって、私たちのタンパク質ベースのソフトロボットは、すぐに自己修復できます」とアブドン・ペーニャ＝フランチェスは述べました。「自然界では、自己修復には長い時間がかかります。この意味では、私たちの技術は自然界を上回っています。」

デミレルによると、自己修復ポリマーは、水、熱、さらには光の適用によって自己修復できます。

「このポリマーを半分に切断すると、治癒したときに100％の強度を回復します」とデミレルは述べました。

メティン・シッティは、ドイツのシュトゥットガルトにあるマックス・プランク・インスティテュート・フォー・インテリジェント・システムズの物理インテリジェンス部門のディレクターです。

「自己修復型物理インテリジェンスソフト材料は、近い将来、堅牢で故障耐性のあるソフトロボットやアクチュエータを構築するために不可欠です」とシッティは述べました。

研究チームは、タンデムリピートの数を調整することで、迅速に治癒するソフトポリマーを作成することができました。これは、元の強度を保持しながら、100％生分解性および100％リサイクル可能（同じポリマーに）することができます。

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石油ベースポリマー

「私たちは、石油ベースポリマーの使用を最小限に抑えたいのです。なぜなら、石油はいつか尽きるからです。また、石油は汚染を引き起こし、地球温暖化にもつながっています。私たちは、非常に安価なプラスチックと競争することはできません。競争する唯一の方法は、石油ベースポリマーが提供できないものを提供することです。自己修復は必要なパフォーマンスを提供します」とデミレルは述べました。

デミレルによると、多くの石油ベースポリマーはリサイクル可能ですが、異なるものにリサイクルする必要があります。

バイオミメティックポリマーは生分解性であり、酢酸などの酸はそれを粉末にリサイクルできます。すると、元の自己修復ポリマーに製造できます。

ステファニー・マクエルヒニーは、アメリカ陸軍研究事務所のバイオケミストリープログラムマネージャーです。

「この研究は、合成生物学アプローチを使用して自然界に存在するタンパク質を超えた材料特性のランドスケープを照らしています。合成タンパク質の迅速な自己修復と高強度は、このアプローチが将来のアメリカ陸軍アプリケーション、たとえば個人用保護装備や狭い空間で動作する柔軟なロボットに対する新しい材料を提供する可能性を示しています」とマクエルヒニーは述べました。