Pesquisadores desenvolvem atuadores de robôs macios autocuráveis

Uma equipe de pesquisadores da Penn State University desenvolveu uma solução para o desgaste de atuadores robóticos macios devido à atividade repetida: um polímero biossintético autorreparável baseado em dentes anelares de lula. O material é benéfico para os atuadores, mas também pode ser aplicado em qualquer lugar onde pequenos orifícios possam causar problemas, como roupas de proteção.

De acordo com o relatório em Nature Materials, “Os materiais de autocura atuais têm deficiências que limitam sua aplicação prática, como baixa força de cura e longos tempos de cura (horas).” 

Inspirando-se em criaturas autocuráveis ​​da natureza, os pesquisadores criaram proteínas sintéticas de alta resistência. Eles são capazes de auto-curar danos minúsculos e visíveis.

Melik Demirel é professor de ciência da engenharia e mecânica e titular da cadeira Lloyd e Dorothy Foehr Huch em materiais biomiméticos.

“Nosso objetivo é criar materiais programáveis ​​de autocura com controle sem precedentes sobre suas propriedades físicas usando biologia sintética”, disse ele. 

Braços Robóticos e Próteses

Algumas máquinas robóticas, como braços robóticos e pernas protéticas, dependem de articulações que estão em constante movimento. Isso requer um material macio, e o mesmo vale para ventiladores e vários tipos de equipamentos de proteção individual. Esses materiais, e todos os que passam por movimentos repetitivos contínuos, correm o risco de desenvolver pequenos rasgos e rachaduras, eventualmente quebrando. Com o uso de material de autocura, esses pequenos rasgos podem ser reparados rapidamente antes que qualquer dano sério seja feito. 

Repetições Tandem de DNA

A equipe de pesquisadores criou o polímero de autocura usando uma série de repetições em tandem de DNA consistindo em aminoácidos produzidos pela duplicação de genes. As repetições em tandem geralmente são uma série curta de moléculas que podem se repetir um número ilimitado de vezes. 

Abdon Pena-Francelsch é o principal autor do artigo e ex-aluno de doutorado no laboratório de Demirel.

“Conseguimos reduzir um período típico de cura de 24 horas para um segundo, para que nossos robôs macios baseados em proteínas agora possam se reparar imediatamente”, disse Abdon Pena-Francelsch. “Na natureza, a autocura leva muito tempo. Nesse sentido, nossa tecnologia supera a natureza”.

De acordo com Demirel, o polímero autorreparador pode se curar com a aplicação de água, calor e até luz. 

“Se você cortar esse polímero pela metade, quando ele cicatrizar, ele recuperará 100% de sua força”, disse Demirel.

Metin Sitti é diretor do Departamento de Inteligência Física do Max Planck Instiute for Intelligent Systems, Stuttgart, Alemanha.

“Materiais macios fisicamente inteligentes auto-reparáveis ​​são essenciais para a construção de robôs e atuadores macios robustos e tolerantes a falhas em um futuro próximo”, disse Sitti.

A equipe foi capaz de criar o polímero macio de cura rápida ajustando o número de repetições em tandem. É capaz de manter sua força original e, ao mesmo tempo, eles conseguiram tornar o polímero 100% biodegradável e 100% reciclável no mesmo polímero. 

Polímeros à Base de Petróleo

“Queremos minimizar o uso de polímeros à base de petróleo por vários motivos”, disse Demirel. “Cedo ou tarde vamos ficar sem petróleo e ele também está poluindo e causando o aquecimento global. Não podemos competir com os plásticos realmente baratos. A única maneira de competir é fornecer algo que os polímeros à base de petróleo não podem oferecer e a autocorreção fornece o desempenho necessário.”

De acordo com Demirel, muitos dos polímeros à base de petróleo podem ser reciclados, mas tem que ser em algo diferente. 

Os polímeros biomiméticos são capazes de biodegradar, e ácidos como o vinagre são capazes de reciclá-lo em um pó que pode então ser fabricado no polímero autorreparável original. 

Stephanie McElhinny é gerente do programa de bioquímica no Escritório de Pesquisa do Exército. 

“Esta pesquisa ilumina a paisagem das propriedades dos materiais que se tornam acessíveis, indo além das proteínas que existem na natureza usando abordagens de biologia sintética, disse McElhinny. “A autocura rápida e de alta resistência dessas proteínas sintéticas demonstra o potencial dessa abordagem para fornecer novos materiais para futuras aplicações do Exército, como equipamentos de proteção individual ou robôs flexíveis que podem manobrar em espaços confinados”.