Raziskovalci razvijajo samopopravljive mehke robotske aktuatorje

Skupina raziskovalcev na Univerzi Penn State je razvila rešitev za obrabo mehkih robotskih aktuatorjev zaradi ponavljajoče se dejavnosti: samozdravilni, biosintetični polimer na osnovi obročastih zob lignjev. Material je koristen za aktuatorje, lahko pa bi ga uporabili tudi povsod, kjer bi majhne luknje lahko povzročile težave, kot so zaščitne obleke.

Glede na poročilo v Nature Materials, "Trenutni materiali za samozdravljenje imajo pomanjkljivosti, ki omejujejo njihovo praktično uporabo, kot so nizka moč celjenja in dolgi časi celjenja (ure)." 

Raziskovalci so po navdihu samoozdravljivih bitij v naravi ustvarili sintetične beljakovine visoke trdnosti. Sposobni so samozdraviti majhne in vidne poškodbe.

Melik Demirel je profesor inženirskih znanosti in mehanike ter nosilec katedre Lloyd in Dorothy Foehr Huch za biomimetične materiale.

"Naš cilj je ustvariti samozdravilne programabilne materiale z neverjetnim nadzorom nad njihovimi fizikalnimi lastnostmi z uporabo sintetične biologije," je dejal. 

Robotske roke in protetika

Nekateri robotski stroji, kot so robotske roke in protetične noge, se zanašajo na sklepe, ki se nenehno premikajo. To zahteva mehak material, enako velja za ventilatorje in različne vrste osebne zaščitne opreme. Ti materiali in vsi, ki so podvrženi nenehnemu ponavljajočemu se gibanju, so v nevarnosti, da se pojavijo majhne razpoke in razpoke, ki se sčasoma zlomijo. Z uporabo samocelitvenega materiala je mogoče te drobne razpoke hitro popraviti, še preden pride do resne škode. 

DNK tandem ponovitev

Skupina raziskovalcev je ustvarila samozdravilni polimer z uporabo niza tandemskih ponovitev DNK, sestavljenih iz aminokislin, proizvedenih s podvajanjem genov. Tandemske ponovitve so pogosto kratke serije molekul, ki se lahko ponovijo neomejeno število krat. 

Abdon Pena-Francelsch je glavni avtor prispevka in nekdanji doktorski študent v Demirelovem laboratoriju.

»Uspelo nam je skrajšati običajno 24-urno obdobje celjenja na eno sekundo, tako da se lahko naši mehki roboti, ki temeljijo na beljakovinah, zdaj takoj popravijo,« je dejal Abdon Pena-Francelsch. »V naravi je samozdravljenje dolgotrajno. V tem smislu naša tehnologija prekaša naravo.«

Po Demirelu se lahko samozdravilni polimer sam pozdravi z uporabo vode, toplote in celo svetlobe. 

"Če ta polimer prerežete na pol, ko se zaceli, pridobi nazaj 100 odstotkov svoje moči," je dejal Demirel.

Metin Sitti je direktor oddelka za fizično inteligenco na Inštitutu Max Planck za inteligentne sisteme v Stuttgartu v Nemčiji.

"Samopopravljivi fizično inteligentni mehki materiali so bistveni za gradnjo robustnih in na napake odpornih mehkih robotov in aktuatorjev v bližnji prihodnosti," je dejal Sitti.

Ekipa je lahko ustvarila hitro celjenje mehkega polimera s prilagajanjem števila tandemskih ponovitev. Sposoben je ohraniti prvotno trdnost, hkrati pa jim je uspelo narediti polimer 100-odstotno biorazgradljiv in 100-odstotno recikliran v isti polimer. 

Polimeri na osnovi nafte

"Iz številnih razlogov želimo zmanjšati uporabo polimerov na osnovi nafte," je dejal Demirel. »Prej ali slej nam bo zmanjkalo nafte, poleg tega pa onesnažuje in povzroča globalno segrevanje. Ne moremo tekmovati z res poceni plastiko. Edini način za tekmovanje je dobava nečesa, česar polimeri na osnovi nafte ne morejo zagotoviti, in samozdravljenje zagotavlja potrebno zmogljivost.«

Po besedah ​​Demirela je veliko polimerov na osnovi nafte mogoče reciklirati, vendar mora biti to nekaj drugega. 

Biomimetični polimeri se lahko biološko razgradijo, kisline, kot je kis, pa ga lahko reciklirajo v prah, ki ga je nato mogoče proizvesti v prvotni samozdravilni polimer. 

Stephanie McElhinny je vodja programa za biokemijo v raziskovalnem uradu vojske. 

"Ta raziskava osvetljuje pokrajino materialnih lastnosti, ki postanejo dostopne, če presegajo beljakovine, ki obstajajo v naravi, z uporabo pristopov sintetične biologije," je dejal McElhinny. "Hitro in visoko trdno samozdravljenje teh sintetičnih proteinov dokazuje potencial tega pristopa za zagotavljanje novih materialov za prihodnje vojaške aplikacije, kot so osebna zaščitna oprema ali prilagodljivi roboti, ki bi lahko manevrirali v zaprtih prostorih."