Forskere utvikler selvhelende myke robotaktuatorer

Et team av forskere ved Penn State University har utviklet en løsning på slitasjen på myke robotaktuatorer på grunn av gjentakende aktivitet: en selvhelende, biosyntetisk polymer basert på blæksprutringtann. Materialet er gunstig for aktuatorer, men det kan også brukes hvor små hull kan forårsake problemer, som i hazmat-drakter.

Ifølge rapporten i Nature Materials, “Aktuelle selvhelende materialer har mangler som begrenser deres praktiske anvendelse, som lav helingsstyrke og lange helingstider (timer).”

Ved å trekke inspirasjon fra selvhelende skapninger i naturen, skapte forskerne høy-styrke syntetiske proteiner. De kan selv-helende 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 skape selvhelende programmerbare materialer med utenforliggende kontroll over deres fysiske egenskaper ved hjelp av syntetisk biologi,” sa han.

Robotarm og proteser

Noen robotmaskiner, som robotarm og proteser, er avhengige av ledd som konstant beveger seg. Dette krever et mykt materiale, og det samme gjelder for ventilatorer og forskjellige typer personlige beskyttelsesutstyr. Disse materialene, og alle som undergår kontinuerlig gjentakende bevegelse, er utsatt for å utvikle små rifter og sprekk, og til slutt bryte sammen. Med bruk av selvhelende materiale, kan disse små riftene raskt repareres før noen alvorlig skade skjer.

DNA-tandem-gjentakelser

Forskerlaget skapte selvhelende polymer ved å bruke en rekke DNA-tandem-gjentakelser bestående av aminosyrer produsert av gen-duplisering. Tandem-gjentakelser er ofte en kort rekke molekyler som kan gjenta seg selv en ubegrenset mengde ganger.

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

“Vi kunne redusere en typisk 24-timers helingstid til ett sekund, så våre protein-baserte myke roboter kan nå reparere seg umiddelbart,” sa Abdon Pena-Francelsch. “I naturen, tar selv-heling lang tid. I denne forstand, overgår vår teknologi naturen.”

Ifølge Demirel, kan selvhelende polymeren helbrede seg selv med påvirkning av vann, varme og sogar lys.

“Hvis du skjærer denne polymeren i to, når den helbreder, gjenoppretter den 100 prosent av sin styrke,” sa Demirel.

Metin Sitti er direktør for avdelingen for fysisk intelligens ved Max Planck-instituttet for intelligente systemer, Stuttgart, Tyskland.

“Selv-reparerbare fysisk intelligente myke materialer er essensielle for å bygge robuste og feiltolerante myke roboter og aktuatorer i nær fremtid,” sa Sitti.

Laget kunne skape raskt-helende myk polymer ved å justere antallet tandem-gjentakelser. Den kan beholde sin opprinnelige styrke, og samtidig kunne de gjøre polymeren 100 prosent biologisk nedbrytbar og 100 prosent resirkulerbar til samme polymer.

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

Petroleum-baserte polymerer

“Vi ønsker å minimere bruken av petroleum-baserte polymerer av mange grunner,” sa Demirel. “Tidlig eller senere vil vi gå tom for petroleum, og det er også forurensende og årsak til global oppvarming. Vi kan ikke konkurrere med de virkelig billige plastene. Den eneste måten å konkurrere er å levere noe som petroleum-baserte polymerer ikke kan levere, og selv-heling gir den nødvendige ytelsen.”

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

De biomimetiske polymerene kan biologisk nedbrytes, og syrer som eddik kan resirkulere det til en pulver som kan produseres til den opprinnelige selv-helende polymeren.

Stephanie McElhinny er programleder for biokjemi ved Army Research Office.

“Dette forskningsarbeidet belyser landskapet av materialegenskaper som blir tilgjengelige ved å gå utenfor proteiner som finnes i naturen ved hjelp av syntetisk biologi, sa McElhinny. “Den raskt-helende og høy-styrke selv-helingen av disse syntetiske proteinene demonstrerer potensialet for denne tilnærmingen til å levere nye materialer for fremtidige Army-applikasjoner, som personlige beskyttelsesutstyr eller fleksible roboter som kan manøvrere i begrensede rom.”