Исследователи разработали самоисцеляющиеся мягкие робототехнические актуаторы

Команда исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала решение проблемы износа мягких робототехнических актуаторов из-за повторяющихся действий: самоисцеляющийся, биосинтетический полимер на основе зубов кальмара. Этот материал полезен для актуаторов, но он также может быть применен везде, где маленькие отверстия могут вызвать проблемы, такие как костюмы для работы с опасными материалами.

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

Вдохновляясь самоисцеляющимися существами в природе, исследователи создали высокопрочные синтетические белки. Они способны самоисцеляться от мелкого и видимого повреждения.

Мелик Демирель – профессор инженерных наук и механики и обладатель кафедры биомиметических материалов Ллойда и Дороти Фохр Хуч.

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

Роботические руки и протезы

Некоторые робототехнические машины, такие как роботические 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 постоянному повторяющемуся движению, находятся в опасности развития мелких трещин и разрывов, в конечном итоге ломаются. С помощью использования самоисцеляющегося материала эти мелкие трещины можно быстро отремонтировать до того, как будет нанесен серьезный ущерб.

Тандемные повторы ДНК

Команда исследователей создала самоисцеляющийся полимер, используя серию тандемных повторов ДНК, состоящих из аминокислот, произведенных геном дублирования. Тандемные повторы часто представляют собой короткую серию молекул, которые могут повторяться неограниченное количество раз.

Абдон Пена-Франклеш – основной автор статьи и бывший докторант в лаборатории Демиреля.

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

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

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

Метин Ситти – директор департамента физической интеллекта в Институте интеллектуальных систем имени Макса Планка, Штутгарт, Германия.

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

Команда смогла создать быстро восстанавливающийся мягкий полимер, регулируя количество тандемных 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. “Рано или поздно мы исчерпаем нефть, и она также загрязняет и вызывает глобальное потепление. Мы не можем конкурировать с очень дешевыми пластиками. Единственный способ конкурировать – предложить что-то, чего не могут предложить полимеры на основе нефти, 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 – менеджер программы биохимии в Армейском исследовательском офисе.

“Этот исследовательский проект освещает ландшафт свойств материалов, которые становятся доступными, выходя за рамки белков, существующих в природе, с помощью 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 могут маневрировать в замкнутых пространствах.”