Naukowcy opracowali samouzdrawiające się miękkie roboty z aktuatorami

Zespół naukowców z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii opracował rozwiązanie problemu zużycia miękkich aktuatorów robotów z powodu częstej aktywności: samouzdrawiający się, biosyntetyczny polimer oparty na zębach kałamarnicy. Materiał ten jest korzystny dla aktuatorów, ale może być również stosowany w każdym miejscu, w którym mogą powstać małe dziury, takie jak kombinezony ochronne.

Zgodnie z raportem opublikowanym w Nature Materials, „Obecne materiały samouzdrawiające mają wady, które ograniczają ich praktyczne zastosowanie, takie jak niska wytrzymałość i długi czas gojenia (godziny).”

Czerpiąc inspirację ze zelf-healingowych stworzeń w przyrodzie, naukowcy stworzyli wysokowytrzymałe syntetyczne białka. Są one w stanie samouzdrawiać się z uszkodzeń widocznych i niewidocznych.

Melik Demirel jest profesorem inżynierii i mechaniki oraz posiadaczem krzesła Lloyd i Dorothy Foehr Huch w dziedzinie biomimetycznych materiałów.

„Naszym celem jest stworzenie samouzdrawiających się programowalnych materiałów z niezwykłą kontrolą nad ich właściwościami fizycznymi za pomocą syntetycznej biologii”, powiedział.

Robotyczne ramiona i protezy

Niektóre maszyny robotyczne, takie jak robotyczne ramiona i protezy nogi, polegają na stawach, które są ciągle w ruchu. Wymaga to miękkiego materiału, takiego samego jak w przypadku wentylatorów i różnych rodzajów sprzętu ochronnego. Te materiały, oraz wszystkie, które podlegają ciągłemu ruchowi, są narażone na powstawanie małych pęknięć i szczelin, które ostatecznie prowadzą do uszkodzenia. Z użyciem samouzdrawiającego się materiału te małe pęknięcia mogą być szybko naprawione, zanim powstaną poważne uszkodzenia.

Powtórzenia tandemowe DNA

Zespół naukowców stworzył samouzdrawiający się polimer, wykorzystując szereg powtórzeń tandemowych DNA składających się z aminokwasów wytwarzanych przez duplikację genów. Powtórzenia tandemowe są często krótką serią 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, więc nasze białkowe miękkie roboty mogą teraz naprawiać się natychmiast”, powiedział Abdon Pena-Francelsch. „W przyrodzie, samouzdrawianie zajmuje dużo czasu. W tym sensie, nasza technologia przewyższa naturę.”

Zgodnie z Demirelem, samouzdrawiający się polimer może uzdrawiać się przy zastosowaniu wody, ciepła i nawet światła.

„Jeśli przetniesz ten polimer na pół, gdy się zagoi, odzyskuje 100 procent swojej wytrzymałości”, powiedział Demirel.

Metin Sitti jest dyrektorem Wydziału Inteligencji Fizycznej w Instytucie Maxa Plancka dla Systemów Inteligentnych, Stuttgart, Niemcy.

„Samonaprawiające się fizycznie inteligentne miękkie materiały są niezbędne do budowy solidnych i tolerancyjnych miękkich robotów i aktuatorów w najbliższej przyszłości”, powiedział Sitti.

Zespół był w stanie stworzyć szybko gojący się miękki polimer, dostosowując liczbę powtórzeń tandemowych. Jest on w stanie zachować swoją pierwotną wytrzymałość, a jednocześnie, udało im się uczynić polimer 100% biodegradowalnym i 100% możliwym do recyklingu w ten sam polimer.

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

Polimery na bazie ropy naftowej

„Chcemy zminimalizować użycie polimerów na bazie ropy naftowej z wielu powodów”, powiedział Demirel. „W końcu będziemy musieli się zmierzyć z brakiem ropy naftowej i jest to również zanieczyszczenie i przyczynia się do globalnego ocieplenia. Nie możemy konkurować z naprawdę tanimi plastikami. Jedynym sposobem, aby konkurować, jest dostarczenie czegoś, czego polimery na bazie ropy naftowej nie mogą dostarczyć, a samouzdrawianie się zapewnia wymaganą wydajność.”

Zgodnie z Demirelem, wiele polimerów na bazie ropy naftowej może być recyklingowane, ale musi to być w coś innego.

Biomimetyczne polimery mogą ulegać biodegradacji, a kwasy, takie jak ocet, mogą je recyklingować w proszek, który może być następnie wytworzony w pierwotny samouzdrawiający się polimer.

Stephanie McElhinny jest menedżerem programu biochemicznego w Biurze Badań Armii.

„To badanie oświetla krajobraz właściwości materiałów, które stają się dostępne, idąc poza białka, które istnieją w naturze, przy użyciu syntetycznych podejść biologicznych, powiedział McElhinny. „Szybkie i wysokowytrzymałe samouzdrawianie się tych syntetycznych białek demonstruje potencjał tego podejścia do dostarczenia nowych materiałów dla przyszłych aplikacji armii, takich jak sprzęt ochrony osobistej lub elastyczne roboty, które mogą manewrować w zamkniętych przestrzeniach.”