Forskare utvecklar självläkande mjuka robotaktuatorer

Ett team av forskare vid Penn State University har utvecklat en lösning för att motverka slitage på mjuka robotaktuatorer på grund av upprepad aktivitet: en självläkande, biosyntetisk polymer baserad på bläckfiskringar. Materalet är fördelaktigt för aktuatorer, men det kan också appliceras var som helst där små hål kan orsaka problem, såsom skyddsdräkter.

Enligt rapporten i Nature Materials, “Nuvarande självläkande material har brister som begränsar deras praktiska tillämpning, såsom låg läkningsstyrka och långa läkningstider (timmar).”

Med inspiration från självläkande varelser i naturen skapade forskarna höghållfasta syntetiska proteiner. De kan självläka små och synliga skador.

Melik Demirel är professor i ingenjörsvetenskap och mekanik och innehavare av Lloyd och Dorothy Foehr Huch-stolen i biomimetiska material.

“Vårt mål är att skapa självläkande programmerbara material med utanför jämförelse kontroll över deras fysiska egenskaper med hjälp av syntetisk biologi”, sa han.

Robotarmar och proteser

Vissa robotmaskiner, såsom robotarmar och protesben, förlitar sig på leder som ständigt rör sig. Detta kräver ett mjukt material, och detsamma gäller för ventilatorer och olika typer av personlig skyddsutrustning. Dessa material, och alla som utsätts för kontinuerlig upprepad rörelse, riskerar att utveckla små sprickor och sprickor, som till slut bryter. Med hjälp av självläkande material kan dessa små sprickor repareras snabbt innan någon allvarlig skada uppstår.

DNA-tandemupprepningar

Forskarteamet skapade den självläkande polymeren genom att använda en serie DNA-tandemupprepningar bestående av aminosyror som produceras av genduplikation. Tandemupprepningar är ofta en kort serie molekyler som kan upprepa sig ett obegränsat antal gånger.

Abdon Pena-Francelsch är huvudförfattare till artikeln och en tidigare doktorand i Demirels lab.

“Vi kunde minska en vanlig 24-timmars läkningstid till en sekund, så våra proteinbaserade mjuka robotar kan nu reparera sig omedelbart”, sa Abdon Pena-Francelsch. “I naturen tar självläkning lång tid. I detta avseende överträffar vår teknik naturen.”

Enligt Demirel kan den självläkande polymeren läka sig med hjälp av vatten, värme och till och med ljus.

“Om du skär itu denna polymer, när den läker tillbaka, återfår den 100 procent av sin styrka”, sa Demirel.

Metin Sitti är chef för avdelningen för fysisk intelligens vid Max Planck-institutet för intelligenta system i Stuttgart, Tyskland.

“Självläkande fysiskt intelligenta mjuka material är avgörande för att bygga robusta och feltyrkliga mjuka robotar och aktuatorer i närmaste framtiden”, sa Sitti.

Teamet kunde skapa den snabbt läkande mjuka polymeren genom att justera antalet tandemupprepningar. Den kan behålla sin ursprungliga styrka, och samtidigt kunde de göra polymeren 100 procent biologiskt nedbrytbar och 100 procent återvinningsbar till samma polymer.

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

Petroleum-baserade polymerer

“Vi vill minimera användningen av petroleum-baserade polymerer av många skäl”, sa Demirel. “Tidigare eller senare kommer vi att ta slut på petroleum, och det förorenar också och orsakar global uppvärmning. Vi kan inte konkurrera med de riktigt billiga plasterna. Det enda sättet att konkurrera är att erbjuda något som petroleum-baserade polymerer inte kan leverera, och självläkning ger den prestanda som behövs.”

Enligt Demirel kan många av de petroleum-baserade polymererna återvinnas, men det måste vara till något annat.

De biomimetiska polymererna kan brytas ned biologiskt, och syror som ättika kan återvinna dem till ett pulver som sedan kan tillverkas till den ursprungliga självläkande polymeren.

Stephanie McElhinny är programchef för biokemi vid Arméns forskningskontor.

“Denna forskning belyser landskapet av materialegenskaper som blir tillgängliga genom att gå utöver proteiner som finns i naturen med hjälp av syntetisk biologi, sa McElhinny. “Den snabba och höghållfasta självläkningen av dessa syntetiska proteiner visar potentialen för denna metod att leverera nya material för framtida armétillämpningar, såsom personlig skyddsutrustning eller flexibla robotar som kan manövrera i trånga utrymmen.”