Forskere utvikler selvhelbredende myke robotaktuatorer

Et team av forskere ved Penn State University har utviklet en løsning for slitasje på myke robotaktuatorer på grunn av gjentatt aktivitet: en selvhelbredende, biosyntetisk polymer basert på blekksprutringtenner. Materialet er gunstig for aktuatorer, men det kan også brukes hvor som helst der små hull kan forårsake problemer, for eksempel hazmat-drakter.

I følge rapporten i Nature Materials, "Nåværende selvhelbredende materialer har mangler som begrenser deres praktiske anvendelse, for eksempel lav helbredende styrke og lange helbredelsestider (timer)." 

Med inspirasjon fra selvhelbredende skapninger i naturen skapte forskerne høystyrke syntetiske proteiner. De er i stand til å selvhelbrede små og synlige skader.

Melik Demirel er professor i ingeniørvitenskap og mekanikk og innehaver av Lloyd og Dorothy Foehr Huch-stolen i biomimetiske materialer.

"Vårt mål er å lage selvhelbredende programmerbare materialer med enestående kontroll over deres fysiske egenskaper ved bruk av syntetisk biologi," sa han. 

Robotarmer og proteser

Noen robotmaskiner, som robotarmer og benproteser, er avhengige av ledd som er i konstant bevegelse. Dette krever et mykt materiale, og det samme gjelder for ventilatorer og ulike typer personlig verneutstyr. Disse materialene, og alle som gjennomgår kontinuerlige repeterende bevegelser, er i fare for å utvikle små rifter og sprekker, som til slutt går i stykker. Med bruk av selvhelbredende materiale kan disse små riftene raskt repareres før noen alvorlig skade er gjort. 

DNA Tandem gjentas

Forskerteamet skapte den selvhelbredende polymeren ved å bruke en serie DNA-tandem-repetisjoner bestående av aminosyrer produsert ved genduplikasjon. Tandem-repetisjoner er ofte en kort serie med molekyler som kan gjenta seg et ubegrenset antall ganger. 

Abdon Pena-Francelsch er hovedforfatter av artikkelen og en tidligere doktorgradsstudent i Demirels laboratorium.

"Vi var i stand til å redusere en typisk 24-timers helingsperiode til ett sekund, slik at våre proteinbaserte myke roboter nå kan reparere seg selv umiddelbart," sa Abdon Pena-Francelsch. «I naturen tar selvhelbredelse lang tid. Slik sett overliste teknologien vår naturen.»

I følge Demirel kan den selvhelbredende polymeren helbrede seg selv med påføring av vann, varme og til og med lys. 

"Hvis du kutter denne polymeren i to, når den gror, får den tilbake 100 prosent av styrken," sa Demirel.

Metin Sitti er direktør for avdelingen for fysisk intelligens ved Max Planck Instiute for Intelligent Systems, Stuttgart, Tyskland.

"Selvreparerende fysisk intelligente myke materialer er avgjørende for å bygge robuste og feiltolerante myke roboter og aktuatorer i nær fremtid," sa Sitti.

Teamet var i stand til å lage den raskt helbredende myke polymeren ved å justere antall tandem-repetisjoner. Den er i stand til å beholde sin opprinnelige styrke, og samtidig var de i stand til å gjøre polymeren 100 % biologisk nedbrytbar og 100 % resirkulerbar til samme polymer. 

Petroleumsbaserte polymerer

"Vi ønsker å minimere bruken av petroleumsbaserte polymerer av mange grunner," sa Demirel. «Før eller siden vil vi gå tom for petroleum, og det forurenser også og forårsaker global oppvarming. Vi kan ikke konkurrere med den virkelig rimelige plasten. Den eneste måten å konkurrere på er å levere noe de petroleumsbaserte polymerene ikke kan levere, og selvhelbredelse gir ytelsen som trengs."

Ifølge Demirel kan mange av de petroleumsbaserte polymerene resirkuleres, men det må være til noe annet. 

De biomimetiske polymerene er i stand til å brytes ned biologisk, og syrer som eddik er i stand til å resirkulere det til et pulver som deretter kan produseres til den originale selvhelbredende polymeren. 

Stephanie McElhinny er programleder for biokjemi ved Army Research Office. 

"Denne forskningen belyser landskapet av materialegenskaper som blir tilgjengelige ved å gå utover proteiner som finnes i naturen ved hjelp av syntetiske biologiske tilnærminger, sa McElhinny. "Den raske og høystyrke selvhelbredelsen av disse syntetiske proteinene viser potensialet til denne tilnærmingen til å levere nye materialer for fremtidige hærapplikasjoner, for eksempel personlig verneutstyr eller fleksible roboter som kan manøvrere i trange rom."