Robotics
Onderzoekers ontwikkelen zelfherstellende zachte robotactuators
Een team van onderzoekers van Penn State University heeft een oplossing ontwikkeld voor de slijtage van zachte robotactuatoren als gevolg van herhaalde activiteit: een zelfherstellend, biosynthetisch polymeer op basis van ringtanden van inktvissen. Het materiaal is gunstig voor actuatoren, maar het kan ook overal worden toegepast waar kleine gaatjes problemen kunnen veroorzaken, zoals veiligheidspakken.
Volgens het rapport in Natuur materialen, “De huidige zelfgenezende materialen hebben tekortkomingen die hun praktische toepassing beperken, zoals een lage helende kracht en lange genezingstijden (uren).”
Geïnspireerd door zelfgenezende wezens in de natuur, creëerden de onderzoekers zeer sterke synthetische eiwitten. Ze zijn in staat om kleine en zichtbare schade zelf te genezen.
Melik Demirel is een professor in technische wetenschappen en mechanica en de houder van de Lloyd en Dorothy Foehr Huch-leerstoel in biomimetische materialen.
"Ons doel is om zelfherstellende programmeerbare materialen te creëren met ongekende controle over hun fysieke eigenschappen met behulp van synthetische biologie," zei hij.
Robotarmen en protheses
Sommige robotmachines, zoals robotarmen en prothetische benen, vertrouwen op gewrichten die constant in beweging zijn. Dit vereist een zacht materiaal en dat geldt ook voor ventilatoren en verschillende soorten persoonlijke beschermingsmiddelen. Deze materialen, en alle materialen die voortdurend herhaalde bewegingen ondergaan, lopen het risico kleine scheurtjes en scheurtjes te ontwikkelen en uiteindelijk te breken. Met het gebruik van zelfherstellend materiaal kunnen deze kleine scheurtjes snel worden gerepareerd voordat er ernstige schade wordt aangericht.
DNA-tandemherhalingen
Het team van onderzoekers creëerde het zelfherstellende polymeer door een reeks DNA-tandemherhalingen te gebruiken die bestaan uit aminozuren geproduceerd door genduplicatie. Tandemherhalingen zijn vaak een korte reeks moleculen die zich een onbeperkt aantal keren kunnen herhalen.
Abdon Pena-Francelsch is hoofdauteur van het artikel en een voormalig promovendus in het laboratorium van Demirel.
"We waren in staat om een typische herstelperiode van 24 uur terug te brengen tot een seconde, zodat onze op eiwitten gebaseerde zachte robots zichzelf nu onmiddellijk kunnen herstellen", zei Abdon Pena-Francelsch. “In de natuur duurt zelfgenezing lang. In die zin is onze technologie de natuur te slim af.”
Volgens Demirel kan het zelfherstellende polymeer zichzelf genezen met behulp van water, warmte en zelfs licht.
"Als je dit polymeer doormidden snijdt, krijgt het bij genezing 100 procent van zijn kracht terug", zei Demirel.
Metin Sitti is directeur van de afdeling Physical Intelligence van het Max Planck Instituut voor Intelligente 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 was in staat om het snel genezende zachte polymeer te maken door het aantal tandemherhalingen aan te passen. Het is in staat zijn oorspronkelijke sterkte te behouden en tegelijkertijd konden ze het polymeer 100% biologisch afbreekbaar en 100% recyclebaar maken tot hetzelfde polymeer.
Op aardolie gebaseerde polymeren
"We willen om verschillende redenen het gebruik van op aardolie gebaseerde polymeren tot een minimum beperken", zei Demirel. “Vroeg of laat zullen we zonder aardolie komen te zitten en het is ook vervuilend en veroorzaakt opwarming van de aarde. We kunnen niet concurreren met de echt goedkope kunststoffen. De enige manier om te concurreren is door iets te leveren dat de op aardolie gebaseerde polymeren niet kunnen leveren en zelfherstel levert de benodigde prestaties.”
Volgens Demirel kunnen veel van de op aardolie gebaseerde polymeren worden gerecycled, maar dan moet er iets anders in worden verwerkt.
De biomimetische polymeren kunnen biologisch worden afgebroken en zuren zoals azijn kunnen het recyclen tot een poeder dat vervolgens kan worden verwerkt tot het oorspronkelijke zelfherstellende polymeer.
Stephanie McElhinny is programmamanager biochemie bij het Army Research Office.
"Dit onderzoek belicht het landschap van materiaaleigenschappen die toegankelijk worden door verder te gaan dan eiwitten die in de natuur voorkomen met behulp van synthetische biologische benaderingen, zei McElhinny. "De snelle en krachtige zelfgenezing van deze synthetische eiwitten toont het potentieel van deze aanpak om nieuwe materialen te leveren voor toekomstige legertoepassingen, zoals persoonlijke beschermingsmiddelen of flexibele robots die in krappe ruimtes kunnen manoeuvreren."
