Naukowcy opracowują samonaprawiające się siłowniki miękkiego robota

Zespół naukowców z Penn State University opracował rozwiązanie problemu zużycia miękkich siłowników robotycznych w wyniku powtarzającej się aktywności: samonaprawiający się biosyntetyczny polimer na bazie zębów pierścienia kalmara. Materiał ten jest korzystny dla siłowników, ale można go również zastosować wszędzie tam, gdzie małe dziury mogą powodować problemy, np. Kombinezony ochronne.

Według raportu w Materiały przyrodnicze, „Obecne materiały samonaprawiające się mają wady, które ograniczają ich praktyczne zastosowanie, takie jak niska siła gojenia i długi czas gojenia (w godzinach)”. 

Czerpiąc inspirację z samoleczących się stworzeń w naturze, naukowcy stworzyli syntetyczne białka o wysokiej wytrzymałości. Są w stanie samoleczyć drobne i widoczne uszkodzenia.

Melik Demirel jest profesorem nauk inżynieryjnych i mechaniki oraz kierownikiem Katedry Materiałów Biomimetycznych im. Lloyda i Dorothy Foehr Huch.

„Naszym celem jest stworzenie samonaprawiających się, programowalnych materiałów z niespotykaną dotąd kontrolą nad ich właściwościami fizycznymi za pomocą biologii syntetycznej” – powiedział. 

Ramiona robotyczne i protetyka

Niektóre zrobotyzowane maszyny, takie jak robotyczne ramiona i protezy nóg, opierają się na stawach, które są w ciągłym ruchu. Wymaga to miękkiego materiału i to samo dotyczy respiratorów i różnego rodzaju środków ochrony osobistej. Materiały te oraz wszystkie podlegające ciągłym, powtarzalnym ruchom są narażone na ryzyko powstania małych rozdarć i pęknięć, a w końcu pęknięcia. Dzięki zastosowaniu samonaprawiającego się materiału te drobne pęknięcia można szybko naprawić, zanim nastąpią jakiekolwiek poważne uszkodzenia. 

Powtórzenia tandemowe DNA

Zespół naukowców stworzył samonaprawiający się polimer, wykorzystując serię tandemowych powtórzeń DNA składających się z aminokwasów wytwarzanych w wyniku duplikacji genów. Powtórzenia tandemowe to często krótkie serie cząsteczek, które mogą powtarzać się nieograniczoną liczbę razy. 

Abdon Pena-Francelsch jest głównym autorem artykułu i byłym doktorantem w laboratorium Demirela.

„Udało nam się skrócić typowy 24-godzinny okres gojenia do jednej sekundy, dzięki czemu nasze miękkie roboty oparte na białkach mogą teraz natychmiast się naprawiać” – powiedział Abdon Pena-Francelsch. „W naturze samoleczenie trwa długo. W tym sensie nasza technologia przechytrza naturę.”

Według Demirela samonaprawiający się polimer może leczyć się sam pod wpływem wody, ciepła, a nawet światła. 

„Jeśli przetniesz ten polimer na pół, po zagojeniu odzyska 100 procent swojej wytrzymałości” – powiedział Demirel.

Metin Sitti jest dyrektorem Departamentu Inteligencji Fizycznej w Instytucie Inteligentnych Systemów Maxa Plancka w Stuttgarcie w Niemczech.

„Samonaprawiające się fizycznie inteligentne miękkie materiały będą niezbędne do budowy solidnych i odpornych na awarie miękkich robotów i siłowników w najbliższej przyszłości” – powiedział Sitti.

Zespołowi udało się stworzyć szybko regenerujący się miękki polimer, dostosowując liczbę powtórzeń tandemowych. Jest w stanie zachować swoją pierwotną wytrzymałość, a jednocześnie udało im się uczynić polimer w 100% biodegradowalny i w 100% nadający się do recyklingu w tym samym polimerze. 

Polimery na bazie ropy naftowej

„Chcemy zminimalizować użycie polimerów na bazie ropy naftowej z wielu powodów” – powiedział Demirel. „Wcześniej czy później skończy nam się ropa naftowa, która również zanieczyszcza środowisko i powoduje globalne ocieplenie. Z naprawdę niedrogimi tworzywami sztucznymi nie jesteśmy w stanie konkurować. Jedynym sposobem na konkurowanie jest dostarczenie czegoś, czego nie są w stanie zapewnić polimery na bazie ropy naftowej, a samonaprawa zapewnia niezbędną wydajność.

Według Demirela wiele polimerów na bazie ropy naftowej można poddać recyklingowi, ale należy je przetworzyć w inny sposób. 

Polimery biomimetyczne mogą ulegać biodegradacji, a kwasy takie jak ocet są w stanie przekształcić je w proszek, z którego można następnie przetworzyć oryginalny, samonaprawiający się polimer. 

Stephanie McElhinny jest kierownikiem programu biochemii w Biurze Badań Armii. 

„To badanie rzuca światło na krajobraz właściwości materiałów, które stają się dostępne dzięki wyjściu poza białka istniejące w przyrodzie i zastosowaniu metod biologii syntetycznej” – powiedział McElhinny. „Szybka i silna samonaprawa tych syntetycznych białek pokazuje potencjał tego podejścia w dostarczaniu nowatorskich materiałów do przyszłych zastosowań w armii, takich jak sprzęt ochrony osobistej lub elastyczne roboty, które mogłyby manewrować w ograniczonych przestrzeniach”.