Исследователи разрабатывают самовосстанавливающиеся приводы мягких роботов

Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала решение проблемы износа приводов мягких роботов из-за повторяющихся действий: самовосстанавливающийся биосинтетический полимер на основе кольцевых зубов кальмара. Этот материал полезен для приводов, но его также можно применять везде, где крошечные отверстия могут вызвать проблемы, например, в защитных костюмах.

Согласно отчету в Природа материалы, «Существующие самовосстанавливающиеся материалы имеют недостатки, которые ограничивают их практическое применение, такие как низкая восстанавливающая способность и длительное время заживления (часы)». 

Черпая вдохновение у самовосстанавливающихся существ в природе, исследователи создали высокопрочные синтетические белки. Они способны самостоятельно залечивать мелкие и видимые повреждения.

Мелик Демирель — профессор инженерных наук и механики, заведующий кафедрой биомиметических материалов Ллойда и Дороти Фоэр Хуч.

«Наша цель — создать самовосстанавливающиеся программируемые материалы с беспрецедентным контролем над их физическими свойствами с использованием синтетической биологии», — сказал он. 

Роботизированное оружие и протезы

Некоторые роботизированные машины, такие как роботизированные руки и протезы ног, полагаются на суставы, которые постоянно двигаются. Для этого нужен мягкий материал, то же самое касается аппаратов ИВЛ и различных средств индивидуальной защиты. Эти материалы, а также любые материалы, которые подвергаются постоянному повторяющемуся движению, подвержены риску образования мелких разрывов и трещин, которые в конечном итоге разрушаются. С использованием самовосстанавливающегося материала эти крошечные разрывы можно быстро восстановить до того, как будет нанесен какой-либо серьезный ущерб. 

Тандемные повторы ДНК

Команда исследователей создала самовосстанавливающийся полимер, используя серию тандемных повторов ДНК, состоящих из аминокислот, полученных в результате дупликации генов. Тандемные повторы часто представляют собой короткие серии молекул, которые могут повторяться неограниченное количество раз. 

Абдон Пена-Францелш — ведущий автор статьи и бывший аспирант лаборатории Демиреля.

«Мы смогли сократить типичный 24-часовой период восстановления до одной секунды, поэтому наши мягкие роботы на основе белка теперь могут восстанавливать себя немедленно», — сказал Абдон Пена-Францелш. «В природе самовосстановление занимает много времени. В этом смысле наша технология превосходит природу».

По словам Демиреля, самовосстанавливающийся полимер может восстанавливаться при воздействии воды, тепла и даже света. 

«Если вы разрежете этот полимер пополам, когда он заживет, он вернет себе 100 процентов своей прочности», — сказал Демирель.

Метин Ситти — директор отдела физической разведки Института интеллектуальных систем им. Макса Планка в Штутгарте, Германия.

«Самовосстанавливающиеся физически интеллектуальные мягкие материалы необходимы для создания надежных и отказоустойчивых мягких роботов и приводов в ближайшем будущем», — сказал Ситти.

Команде удалось создать быстро восстанавливающийся мягкий полимер, отрегулировав количество тандемных повторов. Он способен сохранять свою первоначальную прочность, и в то же время они смогли сделать полимер на 100% биоразлагаемым и на 100% пригодным для повторного использования в тот же полимер. 

Полимеры на нефтяной основе

«Мы хотим свести к минимуму использование полимеров на нефтяной основе по многим причинам», — сказал Демирель. «Рано или поздно у нас закончится нефть, а она также загрязняет окружающую среду и вызывает глобальное потепление. Мы не можем конкурировать с действительно дешевым пластиком. Единственный способ конкурировать — поставлять то, чего не могут дать полимеры на нефтяной основе, а самовосстановление обеспечивает необходимую производительность».

По словам Демиреля, многие полимеры на нефтяной основе могут быть переработаны, но это должно быть что-то другое. 

Биомиметические полимеры способны к биологическому разложению, а кислоты, такие как уксус, способны перерабатывать их в порошок, который затем можно превратить в исходный самовосстанавливающийся полимер. 

Стефани МакЭлхинни — руководитель программы биохимии в Исследовательском бюро армии. 

«Это исследование освещает ландшафт свойств материалов, которые становятся доступными, выходя за рамки белков, существующих в природе, с использованием подходов синтетической биологии, — сказал МакЭлхинни. «Быстрое и сильное самовосстановление этих синтетических белков демонстрирует потенциал этого подхода для создания новых материалов для будущих армейских приложений, таких как средства индивидуальной защиты или гибкие роботы, которые могут маневрировать в ограниченном пространстве».