연구진, 자가 수리 가능한 소프트 로봇 액추에이터 개발

펜실베니아 주립 대학교의 연구진은 반복적인 활동으로 인해 소프트 로봇 액추에이터에 발생하는 마모를 해결하기 위한 방법을 개발했습니다. 그 방법은 오징어의 치아에서 영감을 받은 자가 수리 가능한 생합성 폴리머를 사용하는 것입니다. 이 재료는 액추에이터에 유용하지만, 작은 구멍이 문제를 일으킬 수 있는 곳 어디에나 적용할 수 있습니다. 예를 들어, 해저 작업복과 같은 곳에서 유용할 수 있습니다.

Nature Materials에 발표된 보고서에 따르면, “현재 자가 수리 가능한 재료는 실용적인 적용에 제한되는 단점이 있습니다. 예를 들어, 낮은 자가 수리 강도와 긴 자가 수리 시간(수 시간)이 있습니다.”

자연界에서 자가 수리 가능한 생물체에서 영감을 받은 연구진은 높은 강도의 합성 단백질을 개발했습니다. 이 단백질은 미세하고 보이는 손상을 자가 수리할 수 있습니다.

멜리크 데미렐은 공학 과학 및 역학 교수이자 로이드 및 도로시 포어 하치 의자입니다.

“우리의 목표는 합성 생물학을 사용하여 물리적 특성이 예측 가능한 자가 수리 가능한 재료를 개발하는 것입니다.”

로봇 팔과義肢

일부 로봇 기계, 예를 들어 로봇 팔과義肢, 지속적으로 움직이는 관절에 의존합니다. 이는 소프트 재료가 필요하며, 동일한 것이 환기 기계와 다양한 개인 보호 장비에도 적용됩니다. 이러한 재료와 지속적인 반복적인 동작을 하는 재료는 작은 틈과 균열이 발생하여 결국 파단될 수 있습니다. 자가 수리 가능한 재료를 사용하면 이러한 작은 틈을 빠르게 수리할 수 있습니다.

DNA 반복 서열

연구진은 유전자 복제를 통해 생성된 아미노산으로 구성된 일련의 DNA 반복 서열을 사용하여 자가 수리 가능한 폴리머를 개발했습니다. 반복 서열은 제한없는 횟수로 반복될 수 있는 짧은 분자 시퀀스입니다.

압던 페나-프란첼시는 논문의 주요 저자이자 데미렐 연구실의 전 박사 과정 학생입니다.

“우리는 일반적인 24시간의 자가 수리 기간을 1초로 줄일 수 있었으며, 이제 우리의 단백질 기반 소프트 로봇이 즉시 자가 수리할 수 있습니다.” 압던 페나-프란첼시는 말했다. “자연界에서 자가 수리가 오래 걸리지만, 우리의 기술은 자연을 능가합니다.”

데미렐에 따르면, 자가 수리 가능한 폴리머는 물, 열,甚至 빛을 적용하여 자가 수리할 수 있습니다.

“이 폴리머를 절반으로 자르면, 자가 수리가 완료되면 100%의 강도를 회복합니다.” 데미렐은 말했다.

메틴 시티는 독일 스투트가르트의 맥스 플랑크 지능 시스템 연구소의 물리적 지능 부서长입니다.

“자기 수리 가능한 물리적 지능 소프트 재료는 향후 강력하고 고장에 강한 소프트 로봇과 액추에이터를 구축하는 데 필수적입니다.” 시티는 말했다.

연구진은 반복 서열의 수를 조정하여 빠르게 자가 수리 가능한 소프트 폴리머를 개발할 수 있었습니다. 이는 원래의 강도를 유지할 수 있으며, 동시에 100% 생분해성과 100% 재활용이 가능합니다.

https://www.youtube.com/watch?v=xTmgXnnG27k

석유 기반 폴리머

“우리는 석유 기반 폴리머의 사용을 최소화하고 싶습니다. 이유는 석유가 결국 다 떨어질 것이며, 또한 오염을 유발하고 지구 온난화를 일으키기 때문입니다. 우리는 정말 저렴한 플라스틱과 경쟁할 수 없습니다. 석유 기반 폴리머가 제공할 수 없는 성능을 제공하는 것이 유일한 방법입니다.”

데미렐에 따르면, 많은 석유 기반 폴리머는 재활용할 수 있지만, 다른 것으로 재활용해야 합니다.

바이오미메틱 폴리머는 생분해성이 있으며, 식초와 같은 산으로 분해하여 원래의 자가 수리 가능한 폴리머로 재생성할 수 있습니다.

스텝하니 맥엘히니는 미국 육군 연구소의 생화학 프로그램 관리자입니다.

“이 연구는 합성 생물학적 접근법을 사용하여 자연界에 존재하는 단백질을 넘어서서 접근할 수 있는 재료 특성의 지형을 밝혀줍니다. 이러한 합성 단백질의 빠르고 강한 자가 수리는 미래의 육군 응용 분야에서 새로운 재료를 제공할 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 예를 들어, 개인 보호 장비 또는 협소한 공간에서 작동할 수 있는 유연한 로봇과 같은 분야에서 유용할 수 있습니다.”