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 blækspruttringtann. Materiale er gunstig for aktuatorer, men det kan også brukes hvor små hull kan forårsake problemer, som i hazmat-drakter.

Ifølge rapporten i Nature Materials, “Dagens 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 høytykkelsessyntetiske proteiner. De kan selvhelende minutt og synlig skade.

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.

Robothender og proteser

Noen robotmaskiner, som robotarmer og proteser, er avhengige av ledd som konstant beveger seg. Dette krever et mykt materiale, og det samme gjelder for ventilatorer og ulike 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. Med bruk av selvhelende materiale, kan disse små riftene raskt repareres før noen alvorlig skade skjer.

DNA-tandemgjentakelser

Forskerlaget skapte selvhelende polymer ved å bruke en rekke DNA-tandemgjentakelser bestående av aminosyrer produsert av gen-duplisering. Tandemgjentakelser 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 laboratorium.

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

Ifølge Demirel, kan selvhelende polymer helbrede seg selv med påvirkning av vann, varme og selv 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 fysisk intelligensavdelingen 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 var i stand til å skape raskt-helende myk polymer ved å justere antallet tandemgjentakelser. Den kan beholde sin opprinnelige styrke, og samtidig var de i stand til å gjøre polymeren 100% biologisk nedbrytbar og 100% resirkulerbar til samme polymer.

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

Petroleumbaserte polymerer

“Vi ønsker å minimere bruken av petroleumbaserte polymerer av mange grunner,” sa Demirel. “Tidlig eller senere kommer vi til å løpe tom for petroleum, og det forurenser og forårsaker global oppvarming. Vi kan ikke konkurrere med de virkelig billige plastene. Den eneste måten å konkurrere på er å levere noe som petroleumbaserte polymerer ikke kan levere, og selvhelning gir den nødvendige ytelsen.”

Ifølge Demirel, kan mange av petroleumbaserte polymerer resirkuleres, men det må være til noe annet.

Biomimetiske polymerer kan biologisk nedbrytes, og syrer som eddik kan resirkulere det til en pulver som deretter kan produseres til den opprinnelige selvhelende polymeren.

Stephanie McElhinny er programleder for biokjemi ved Army Research Office.

“Dette forskningsarbeidet belyser landskapet av materialeegenskaper som blir tilgjengelige ved å gå utenfor proteiner som finnes i naturen ved hjelp av syntetisk biologi-tilnærming, sa McElhinny. “Den raske og høytykkelsesselve-helningen av disse syntetiske proteinene demonstrerer potensialet for denne tilnærmingen til å levere nye materialer for fremtidige hærapplikasjoner, som personlige beskyttelsesutstyr eller fleksible roboter som kunne manøvrere i begrensede rom.”