ソフトロボットアクチュエーターの自己修復技術を開発

ペンシルベニア州立大学の研究チームは、繰り返しの動作によりソフトロボットアクチュエーターが損耗する問題に対する解決策を開発しました。イカの歯のタンパク質をベースにし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ーに有益ですが、微小な穴が問題となる場所、たとえばハザードスーツなど、他の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。」

研究チームは、自然界の自己修復能力を持つ生物からヒントを得て、高強度の合成タンパク質を作成しました。これらのタンパク質は、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、エンジニアリング科学と機械学の教授であり、ロイドとドロシー・フォーア・ハックのバイオミメティクス材料の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、物理的特性を制御する自己修復プログラム可能な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

ロボットアームや義肢などのロボットマシンは、常に動いているジョイントに依存しています。これには柔軟な材料が必要であり、同じことがベンチレーターや個人用防護具などの多くの種類にも当てはまります。これらの材料や、繰り返し動作を繰り返す材料は、微小な穴や亀裂が発生し、最終的に破損する危険があります。自己修復材料を使用することで、これらの微小な穴を迅速に修復できます。

DNAタンデムリピート

研究チームは、タンパク質を生成する遺伝子複製によって作成されたアミノ酸からなる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、無制限に繰り返される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・ペナ＝フランチェスクは、論文の第一著者であり、デミレルの研究室の元博士課程学生です。

「私たちは、通常24時間かかる修復期間を1秒に短縮できました。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・ペナ＝フランチェスクは述べました。「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、さらには光を適用することで自己修復できます。

「このポリマーを半分に切断すると、修復後には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・シュトゥットガルトのマックス・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。

「自己修復型の物理的に知能のあるソフト材料は、将来のソフトロボットやアクチュエーターの構築に不可欠です」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、迅速に自己修復するソフトポリマーを作成できました。これは、元の強度を保持しながら、100％バイオデグラデーブルで、100％リサイクル可能です。

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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と思っています。石油はいつか枯渇し、また汚染や地球温暖化の原因ともなります。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では提供できないものを提供することです。自己修復技術は、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、バイオデグラデーションが可能であり、酢酸などの酸によって粉末にリサイクルできます。この粉末は、元の自己修復ポリマーに製造できます。

ステファニー・マクエリニーは、アーミー・リサーチ・オフィス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を実現する可能性を示しています。マクエリニーは、「これらの合成タンパク質の迅速かつ高強度の自己修復は、将来のアーミー・アプリケーション、たとえば個人用防護具や狭い空間で動作可能な柔軟なロボットに対するこのアプローチの潜在性を実証しています」と述べました。