Onderzoekers ontwikkelen zelfhelende zachte robotactuatoren

Een team van onderzoekers aan de Penn State University heeft een oplossing gevonden voor de slijtage van zachte robotactuatoren door herhaalde activiteit: een zelfhelend, biosynthetisch polymeren op basis van inktvisringtanden. Het materiaal is gunstig voor actuatoren, maar het kan ook worden toegepast waar kleine gaten problemen kunnen veroorzaken, zoals in hazmat-pakken.

Volgens het rapport in Nature Materials, “Huidige zelfhelende materialen hebben tekortkomingen die hun praktische toepassing beperken, zoals lage helingssterkte en lange helingstijden (uren).”

Door inspiratie te putten uit zelfhelende wezens in de natuur, creëerden de onderzoekers hoge-strength synthetische eiwitten. Ze kunnen zichzelf herstellen van minuut en zichtbare schade.

Melik Demirel is een professor in de ingenieurswetenschap en mechanica en de houder van de Lloyd en Dorothy Foehr Huch Chair in Biomimetic Materials.

“Ons doel is om zelfhelende programmeerbare materialen te creëren met ongekende controle over hun fysieke eigenschappen met behulp van synthetische biologie,” zei hij.

Robotarmen en prothesen

Sommige robotmachines, zoals robotarmen en prothesen, vertrouwen op gewrichten die constant in beweging zijn. Dit vereist een zacht materiaal, en hetzelfde geldt voor ventilatoren en verschillende soorten persoonlijke beschermingsuitrusting. Deze materialen, en alle die ondergaan continue herhaalde beweging, lopen het risico om kleine scheurtjes en barstjes te ontwikkelen, uiteindelijk breken. Met het gebruik van zelfhelend materiaal kunnen deze kleine scheurtjes snel worden gerepareerd voordat er ernstige schade wordt aangericht.

DNA-tandemherhalingen

Het team van onderzoekers creëerde het zelfhelende polymeren door een reeks van DNA-tandemherhalingen te gebruiken, bestaande uit aminozuren die worden geproduceerd door genverdubbeling. Tandemherhalingen zijn vaak een korte reeks moleculen die zichzelf onbeperkt kunnen herhalen.

Abdon Pena-Francelsch is de eerste auteur van het artikel en een voormalige doctoraalstudent in Demirels lab.

“We konden de typische helingstijd van 24 uur terugbrengen tot één seconde, zodat onze eiwitgebaseerde zachte robots zich nu onmiddellijk kunnen herstellen,” zei Abdon Pena-Francelsch. “In de natuur duurt zelfhelendheid lang. In deze zin overtreft onze technologie de natuur.”

Volgens Demirel kan het zelfhelende polymeren zichzelf herstellen met de toepassing van water, hitte en zelfs licht.

“Als je dit polymeren doormidden snijdt, wanneer het heelt, herwint het 100 procent van zijn sterkte,” zei Demirel.

Metin Sitti is directeur van de afdeling Fysieke Intelligentie van het Max Planck Instituut voor Intelligentie Systemen, Stuttgart, Duitsland.

“Zelfherstellende fysiek intelligente zachte materialen zijn essentieel voor het bouwen van robuuste en fouttolerante zachte robots en actuatoren in de nabije toekomst,” zei Sitti.

Het team kon het snelhelende zachte polymeren creëren door het aantal tandemherhalingen aan te passen. Het kan zijn oorspronkelijke sterkte behouden, en tegelijkertijd konden ze het polymeren 100 procent biologisch afbreekbaar en 100 procent recyclebaar maken in hetzelfde polymeren.

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

Aardoliegebaseerde polymeren

“We willen het gebruik van aardoliegebaseerde polymeren minimaliseren om veel redenen,” zei Demirel. “Vroeg of laat zullen we zonder aardolie komen te zitten en het is ook vervuilend en veroorzaakt globale opwarming. We kunnen niet concurreren met de echt goedkope plastics. De enige manier om te concurreren is om iets te leveren wat de aardoliegebaseerde polymeren niet kunnen leveren en zelfhelendheid biedt de benodigde prestaties.”

Volgens Demirel kunnen veel van de aardoliegebaseerde polymeren worden gerecycled, maar het moet in iets anders worden omgezet.

De biomimetische polymeren kunnen biologisch afbreken, en zuren zoals azijn kunnen het recyclen in een poeder dat vervolgens kan worden gefabriceerd in het oorspronkelijke zelfhelende polymeren.

Stephanie McElhinny is een programmaleider biochemie bij het Army Research Office.

“Dit onderzoek verlicht het landschap van materiaaleigenschappen dat toegankelijk wordt door verder te gaan dan eiwitten die in de natuur bestaan met behulp van synthetische biologiebenaderingen,” zei McElhinny. “De snelle en hoge-strength zelfhelendheid van deze synthetische eiwitten toont het potentieel van deze benadering om nieuwe materialen te leveren voor toekomstige Army-toepassingen, zoals persoonlijke beschermingsuitrusting of flexibele robots die in beperkte ruimtes kunnen manoeuvreren.”