Výskumníci vyvíjajú samoliečiace mäkké robotické ovládače

Tím výskumníkov z Penn State University vyvinul riešenie opotrebovania mäkkých robotických ovládačov v dôsledku opakovanej aktivity: samoliečiaci sa biosyntetický polymér na báze prstencových zubov chobotnice. Materiál je prospešný pre ovládače, ale dá sa použiť aj kdekoľvek, kde by drobné dierky mohli spôsobiť problémy, ako sú napríklad ochranné obleky.

Podľa správy v Prírodné materiály, "Súčasné samoliečiace materiály majú nedostatky, ktoré obmedzujú ich praktickú aplikáciu, ako je nízka sila hojenia a dlhé doby hojenia (hodiny)." 

Výskumníci čerpali inšpiráciu zo samoliečiacich sa tvorov v prírode a vytvorili vysoko pevné syntetické proteíny. Sú schopné samoliečiť nepatrné a viditeľné poškodenia.

Melik Demirel je profesorom inžinierskej vedy a mechaniky a držiteľom kresla Lloyda a Dorothy Foehr Huch v odbore biomimetické materiály.

"Naším cieľom je vytvoriť samoopraviteľné programovateľné materiály s bezprecedentnou kontrolou nad ich fyzikálnymi vlastnosťami pomocou syntetickej biológie," povedal. 

Robotické ramená a protetika

Niektoré robotické stroje, ako sú robotické ruky a protetické nohy, sa spoliehajú na kĺby, ktoré sa neustále pohybujú. To si vyžaduje mäkký materiál a to isté platí pre ventilátory a rôzne druhy osobných ochranných prostriedkov. Tieto materiály a všetky materiály, ktoré podliehajú neustálemu opakovanému pohybu, sú vystavené riziku vzniku malých trhlín a prasklín, prípadne prasknutia. S použitím samoopravného materiálu sa dajú tieto drobné trhlinky rýchlo opraviť skôr, ako dôjde k vážnemu poškodeniu. 

DNA tandemové opakovania

Tím výskumníkov vytvoril samoliečiaci polymér pomocou série tandemových opakovaní DNA, ktoré pozostávajú z aminokyselín produkovaných génovou duplikáciou. Tandemové opakovania sú často krátka séria molekúl, ktoré sa môžu opakovať neobmedzene veľakrát. 

Abdon Pena-Francelsch je hlavným autorom článku a bývalým doktorandom v Demirelovom laboratóriu.

"Podarilo sa nám skrátiť typické 24-hodinové obdobie hojenia na jednu sekundu, takže naše proteínové mäkké roboty sa teraz môžu okamžite opraviť," povedal Abdon Pena-Francelsch. „V prírode samoliečba trvá dlho. V tomto zmysle naša technológia prekonáva prírodu.“

Podľa Demirela sa samoliečiaci polymér dokáže zahojiť pôsobením vody, tepla a dokonca aj svetla. 

"Ak tento polymér prerežete na polovicu, keď sa zahojí, získa späť 100 percent svojej sily," povedal Demirel.

Metin Sitti je riaditeľom oddelenia fyzickej inteligencie v Inštitúte Maxa Plancka pre inteligentné systémy, Stuttgart, Nemecko.

„Samoopraviteľné fyzikálne inteligentné mäkké materiály sú nevyhnutné na vybudovanie robustných a odolných mäkkých robotov a pohonov v blízkej budúcnosti,“ povedal Sitti.

Tím bol schopný vytvoriť rýchlo sa hojaci mäkký polymér úpravou počtu tandemových opakovaní. Dokáže si zachovať svoju pôvodnú pevnosť a zároveň dokázali vyrobiť polymér 100% biologicky odbúrateľný a 100% recyklovateľný na rovnaký polymér. 

Polyméry na báze ropy

"Chceme minimalizovať používanie polymérov na báze ropy z mnohých dôvodov," povedal Demirel. „Skôr či neskôr nám dôjde ropa, ktorá tiež znečisťuje a spôsobuje globálne otepľovanie. Nemôžeme konkurovať skutočne lacným plastom. Jediný spôsob, ako konkurovať, je dodať niečo, čo polyméry na báze ropy nedokážu poskytnúť a samoliečenie poskytuje potrebný výkon.“

Podľa Demirela sa mnohé z polymérov na báze ropy dajú recyklovať, ale musí to byť niečo iné. 

Biomimetické polyméry sú schopné biodegradácie a kyseliny ako ocot ich dokážu recyklovať na prášok, z ktorého sa potom môže vyrobiť pôvodný samoliečiaci polymér. 

Stephanie McElhinny je programová manažérka biochémie v armádnom výskumnom úrade. 

"Tento výskum osvetľuje krajinu materiálových vlastností, ktoré sa stávajú dostupnými tým, že idú nad rámec proteínov, ktoré existujú v prírode pomocou syntetických biologických prístupov," povedal McElhinny. "Rýchle a vysoko pevné samoliečenie týchto syntetických proteínov demonštruje potenciál tohto prístupu poskytnúť nové materiály pre budúce armádne aplikácie, ako sú osobné ochranné prostriedky alebo flexibilné roboty, ktoré by mohli manévrovať v stiesnených priestoroch."