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 polymeer op basis van inktvisringtanden. Het materiaal is gunstig voor actuatoren, maar het kan ook overal 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-strengthsynthetische eiwitten. Ze kunnen zichzelf herstellen van kleine 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.

Robotic Arms en Prosthetics

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

DNA Tandem Herhalingen

Het team van onderzoekers creëerde het zelfhelende polymeer door een reeks 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 een 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 polymeer zich herstellen met de toepassing van water, hitte en zelfs licht.

“Als je dit polymeer doormidden snijdt, herstelt het zich en krijgt het 100 procent van zijn sterkte terug,” zei Demirel.

Metin Sitti is directeur van de afdeling Fysieke Intelligentie bij het Max Planck Instituut voor Intelligentie Systemen in 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 polymeer creëren door het aantal tandemherhalingen aan te passen. Het kan zijn oorspronkelijke sterkte behouden en tegelijkertijd konden ze het polymeer 100 procent biologisch afbreekbaar en 100 procent recyclebaar maken in hetzelfde polymeer.

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

Aardoliegebaseerde Polymeren

“We willen het gebruik van aardoliegebaseerde polymeren minimaliseren om veel redenen,” zei Demirel. “Op een gegeven moment zullen we zonder aardolie komen te zitten en het is ook verontreinigend en draagt het bij aan de opwarming van de aarde. 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 prestaties die nodig zijn.”

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 azijnen zoals azijn kunnen het omzetten in een poeder dat vervolgens kan worden gefabriceerd in het oorspronkelijke zelfhelende polymeer.

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

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