นักวิจัยพัฒนาแอคชูเอเตอร์หุ่นยนต์นุ่มรักษาตัวเองได้

ทีมนักวิจัยที่ Penn State University ได้พัฒนาวิธีแก้ปัญหาการสึกหรอของแอคชูเอเตอร์หุ่นยนต์แบบอ่อนเนื่องจากกิจกรรมซ้ำๆ: โพลิเมอร์สังเคราะห์ทางชีวภาพที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้จากฟันของปลาหมึก วัสดุนี้มีประโยชน์ต่อแอคชูเอเตอร์ แต่ก็สามารถนำไปใช้ได้ทุกที่ที่รูเล็กๆ อาจทำให้เกิดปัญหา เช่น ชุดวัตถุอันตราย

ตามรายงานใน วัสดุธรรมชาติ, “วัสดุรักษาตัวเองในปัจจุบันมีข้อบกพร่องที่จำกัดการใช้งานจริง เช่น ความแข็งแรงในการรักษาต่ำและเวลาการรักษานาน (ชั่วโมง)” 

นักวิจัยสร้างโปรตีนสังเคราะห์ที่มีความแข็งแรงสูงด้วยแรงบันดาลใจจากสิ่งมีชีวิตที่รักษาตัวเองในธรรมชาติได้ พวกเขาสามารถรักษาตัวเองในนาทีและความเสียหายที่มองเห็นได้

Melik Demirel เป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมศาสตร์และกลศาสตร์ และเป็นเจ้าของ Lloyd and Dorothy Foehr Huch Chair ในสาขา Biomimetic Materials

“เป้าหมายของเราคือการสร้างวัสดุที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ซึ่งรักษาตัวเองได้ด้วยการควบคุมคุณสมบัติทางกายภาพอย่างไม่เคยมีมาก่อนโดยใช้ชีววิทยาสังเคราะห์” เขากล่าว 

แขนหุ่นยนต์และขาเทียม

เครื่องจักรหุ่นยนต์บางชนิด เช่น แขนหุ่นยนต์และขาเทียม อาศัยข้อต่อที่มีการเคลื่อนไหวตลอดเวลา ซึ่งต้องใช้วัสดุที่อ่อนนุ่ม และเช่นเดียวกันกับเครื่องช่วยหายใจและอุปกรณ์ป้องกันภัยส่วนบุคคลประเภทต่างๆ วัสดุเหล่านี้และวัสดุใดๆ ก็ตามที่ผ่านการเคลื่อนไหวซ้ำๆ กันอย่างต่อเนื่อง มีความเสี่ยงที่จะเกิดรอยฉีกและรอยร้าวเล็กๆ และแตกหักได้ในที่สุด ด้วยการใช้วัสดุรักษาตัวเอง น้ำตาเล็กๆ เหล่านี้สามารถซ่อมแซมได้อย่างรวดเร็วก่อนที่จะเกิดความเสียหายร้ายแรง 

DNA ตีคู่ซ้ำ

ทีมนักวิจัยได้สร้างพอลิเมอร์ที่สามารถรักษาตัวเองได้โดยใช้ชุดของ DNA ควบคู่ซ้ำซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนที่เกิดจากการทำซ้ำของยีน การทำซ้ำแบบตีคู่มักเป็นชุดโมเลกุลสั้น ๆ ที่สามารถทำซ้ำได้ไม่จำกัดจำนวนครั้ง 

Abdon Pena-Francelsch เป็นผู้เขียนบทความหลักและเป็นอดีตนักศึกษาปริญญาเอกในห้องทดลองของ Demirel

Abdon Pena-Francelsch กล่าวว่า "เราสามารถลดระยะเวลาการรักษาปกติ 24 ชั่วโมงเหลือ XNUMX วินาที ดังนั้นหุ่นยนต์ซอฟต์โปรตีนของเราจึงสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ทันที" Abdon Pena-Francelsch กล่าว “โดยธรรมชาติ การรักษาตัวเองต้องใช้เวลานาน ในแง่นี้ เทคโนโลยีของเราฉลาดเหนือธรรมชาติ”

จากข้อมูลของเดมิเรล โพลิเมอร์ที่สามารถรักษาตัวเองได้นั้นสามารถรักษาตัวเองได้ด้วยการใช้น้ำ ความร้อน หรือแม้แต่แสง 

“ถ้าคุณผ่าโพลิเมอร์นี้ลงครึ่งหนึ่ง เมื่อมันรักษาตัวได้ มันก็จะกลับมาแข็งแรงเหมือนเดิม 100 เปอร์เซ็นต์” เดมิเรลกล่าว

Metin Sitti เป็นผู้อำนวยการของแผนกข่าวกรองทางกายภาพที่ Max Planck Instiute for Intelligent Systems, Stuttgart ประเทศเยอรมนี

“วัสดุอ่อนอัจฉริยะทางกายภาพที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างหุ่นยนต์และแอคทูเอเตอร์แบบอ่อนที่แข็งแกร่งและทนทานต่อความผิดพลาดในอนาคตอันใกล้” สิตติกล่าว

ทีมงานสามารถสร้างพอลิเมอร์แบบอ่อนที่รักษาได้อย่างรวดเร็วโดยการปรับจำนวนการทำซ้ำตามกัน สามารถคงความแข็งแรงเดิมไว้ได้ และในขณะเดียวกัน พวกเขาก็สามารถทำให้โพลิเมอร์ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ 100% และรีไซเคิลได้ 100% เป็นโพลิเมอร์เดียวกัน 

พอลิเมอร์จากปิโตรเลียม

“เราต้องการลดการใช้โพลิเมอร์จากปิโตรเลียมให้เหลือน้อยที่สุดด้วยเหตุผลหลายประการ” เดมิเรลกล่าว “ไม่ช้าก็เร็วน้ำมันปิโตรเลียมก็จะหมดลงและยังเป็นมลพิษและก่อให้เกิดภาวะโลกร้อนอีกด้วย เราไม่สามารถแข่งขันกับพลาสติกราคาถูกได้ วิธีเดียวที่จะแข่งขันได้คือจัดหาสิ่งที่โพลิเมอร์จากปิโตรเลียมไม่สามารถส่งมอบได้ และการซ่อมแซมตัวเองจะมอบประสิทธิภาพที่จำเป็น”

จากข้อมูลของเดมิเรล โพลิเมอร์จากปิโตรเลียมจำนวนมากสามารถนำมารีไซเคิลได้ แต่ต้องทำให้แตกต่างออกไป 

โพลิเมอร์เลียนแบบทางชีวภาพสามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ และกรด เช่น น้ำส้มสายชู สามารถนำกลับมาใช้ใหม่เป็นผง ซึ่งจากนั้นจะสามารถผลิตเป็นโพลิเมอร์ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้เอง 

Stephanie McElhinny เป็นผู้จัดการโปรแกรมชีวเคมีของสำนักงานวิจัยกองทัพบก 

McElhinny กล่าวว่า "งานวิจัยชิ้นนี้ได้ฉายให้เห็นถึงคุณสมบัติของวัสดุที่สามารถเข้าถึงได้โดยไปไกลกว่าโปรตีนที่มีอยู่ในธรรมชาติโดยใช้วิธีการทางชีววิทยาสังเคราะห์ “การรักษาตัวเองอย่างรวดเร็วและมีความแข็งแรงสูงของโปรตีนสังเคราะห์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของแนวทางนี้ในการส่งมอบวัสดุใหม่ๆ สำหรับการใช้งานในกองทัพในอนาคต เช่น อุปกรณ์ป้องกันภัยส่วนบุคคลหรือหุ่นยนต์ที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ในพื้นที่จำกัดได้”