Исследователи разрабатывают самоисцеляющиеся мягкие роботизированные актуаторы

Команда исследователей в Университете штата Пенсильвания разработала решение проблемы износа мягких роботизированных актуаторов из-за повторяющихся действий: самоисцеляющийся, биосинтетический полимер на основе зубов кальмара. Этот материал полезен для актуаторов, но его также можно применять везде, где небольшие отверстия могут вызвать проблемы, такие как костюмы для защиты от опасных материалов.

Согласно отчету в Nature Materials, “Текущие самоисцеляющиеся материалы имеют недостатки, которые ограничивают их практическое применение, такие как низкая прочность при самоисцелении и длительное время самоисцеления (часы).”

Вдохновляясь самоисцеляющимися существами в природе, исследователи создали высокопрочные синтетические белки. Они способны самоисцеляться от микроскопических и видимых повреждений.

Мелик Демирель является профессором инженерных наук и механики и занимает должность Ллойда и Дороти Фёр Хуч в области биомиметических материалов.

“Наша цель – создать самоисцеляющиеся программируемые материалы с беспрецедентным контролем над их физическими свойствами с помощью синтетической биологии”, – сказал он.

Роботизированные руки и протезы

Некоторые роботизированные машины, такие как роботизированные руки и протезы ног, полагаются на суставы, которые постоянно движутся. Для этого требуется мягкий материал, и то же самое относится к вентиляторам и различным типам средств индивидуальной защиты. Эти материалы, и любые, которые подвергаются непрерывному повторяющемуся движению, находятся в зоне риска развития небольших разрывов и трещин, в конечном итоге ломаясь. С помощью использования самоисцеляющегося материала эти небольшие разрывы можно быстро отремонтировать до того, как будет нанесен серьезный ущерб.

Повторы ДНК

Команда исследователей создала самоисцеляющийся полимер, используя серию повторов ДНК, состоящих из аминокислот, произведенных путем дублирования генов. Повторы часто представляют собой короткую серию молекул, которые могут повторяться неограниченное количество раз.

Абдон Пена-Франчелс является основным автором статьи и бывшим аспирантом в лаборатории Демиреля.

“Мы смогли сократить типичный 24-часовой период самоисцеления до одной секунды, поэтому наши белковые мягкие роботы теперь могут ремонтировать себя сразу”, – сказал Абдон Пена-Франчелс. “В природе самоисцеление занимает много времени. В этом смысле наша технология превосходит природу.”

Согласно Демирелю, самоисцеляющийся полимер может самоисцеляться с помощью применения воды, тепла и даже света.

“Если вы разрежете этот полимер пополам, когда он заживет, он восстановит 100 процентов своей прочности”, – сказал Демирель.

Метин Ситти является директором отдела физической интеллекта в Институте интеллектуальных систем Макса Планка, Штутгарт, Германия.

“Самоисцеляющиеся физически интеллектуальные мягкие материалы необходимы для создания прочных и отказоустойчивых мягких роботов и актуаторов в ближайшем будущем”, – сказал Ситти.

Команда смогла создать быстро самоисцеляющийся мягкий полимер, регулируя количество повторов. Он способен сохранять свою исходную прочность, и в то же время они смогли сделать полимер 100% биоразлагаемым и 100% перерабатываемым в тот же полимер.

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

Полимеры на основе нефти

“Мы хотим минимизировать использование полимеров на основе нефти по многим причинам”, – сказал Демирель. “Скоро или позже мы исчерпаем нефть, и она также загрязняет и вызывает глобальное потепление. Мы не можем конкурировать с очень дешевыми пластиками. Единственный способ конкурировать – это предложить что-то, что полимеры на основе нефти не могут предоставить, и самоисцеление обеспечивает необходимую производительность.”

Согласно Демирелю, многие полимеры на основе нефти могут быть переработаны, но только в что-то другое.

Биомиметические полимеры способны биоразлагаться, и кислоты, такие как уксус, могут переработать их в порошок, который затем можно изготовить в исходный самоисцеляющийся полимер.

Стефани Макелхинни является менеджером программы биохимии в Армейском исследовательском офисе.

“Этот исследовательский проект освещает ландшафт свойств материалов, которые становятся доступными, выходя за рамки существующих в природе белков с помощью подходов синтетической биологии, – сказала Макелхинни. “Быстрое и высокопрочное самоисцеление этих синтетических белков демонстрирует потенциал этого подхода для создания новых материалов для будущих армейских применений, таких как средства индивидуальной защиты или гибкие роботы, которые могли бы маневрировать в замкнутых пространствах.”