Araştırmacılar Kendini Onaran Yumuşak Robot Etkileyicileri Geliştirdi

Penn State Üniversitesi’ndeki bir grup araştırmacı, yumuşak robot aktüatörlerinde tekrarlanan faaliyet nedeniyle oluşan aşınmaya bir çözüm geliştirdi: kalamar dişleri temelinde üretilen kendiliğinden onaran, biyosentetik bir polimer. Bu malzeme aktüatörler için faydalıdır, ancak aynı zamanda küçük deliklerin sorunlara neden olabileceği diğer alanlara da uygulanabilir, örneğin tehlike giysilerine.

Nature Materials’de yayınlanan rapora göre, “Mevcut kendiliğinden onaran malzemelerin pratik uygulamalarını sınırlayan eksiklikleri vardır, Örneğin düşük onarım gücü ve uzun onarım süreleri (saatler).”

Doğadaki kendiliğinden onaran yaratıklardan esinlenen araştırmacılar, yüksek güçlü sentetik proteinler oluşturdular. Bunlar dakika ve görülebilen hasarları kendiliğinden onarabilir.

Melik Demirel, mühendislik bilimi ve mekanik profesörü ve Biomimetik Malzemeler Lloyd ve Dorothy Foehr Huch Kürsüsü sahibi.

“Hedefimiz, sentetik biyoloji kullanarak fiziksel özelliklerine önceden görülmemiş bir kontrol sağlamak için kendiliğinden onaran programlanabilir malzemeler yaratmak” dedi.

Robotik Kollarda ve Protezlerde

Bazı robotik makineler, örneğin robotik kollar ve protez bacaklar, sürekli hareket eden eklemlere dayanır. Bu, bir yumuşak malzeme gerektirir ve aynı şey ventilatörler ve çeşitli kişisel koruyucu ekipmanlar için de geçerlidir. Bu malzemeler ve sürekli tekrarlanan hareketler yapanlar, küçük yırtıklar ve çatlaklar geliştirme riski taşır, sonunda kırılırlar. Kendiliğinden onaran malzeme kullanıldığında, bu küçük yırtıklar ciddi bir hasar oluşmadan önce hızla onarılabilir.

DNA Tandem Tekrarları

Araştırmacılar ekibi, kendiliğinden onaran polimeri, amino asitleri üreten gen çoğaltması ile oluşan DNA tandem tekrarları dizisi kullanarak oluşturdu. Tandem tekrarlar genellikle sınırsız sayıda tekrarlanabilen molekül serileridir.

Abdon Pena-Francelsch, makalenin baş yazarı ve Demirel’in laboratuvarındaki eski bir doktora öğrencisi.

“Tipik 24 saatlik onarım süresini bir saniyeye indirerek protein tabanlı yumuşak robotlarımızın kendilerini hemen onarmasını sağladık” dedi Abdon Pena-Francelsch. “Doğada kendiliğinden onarma uzun sürer. Bu sentido, teknolojimiz doğayı aşar.”

Demirel’e göre, kendiliğinden onaran polimer su, ısı ve hatta ışık uygulanarak kendini onarabilir.

“Bu polimeri ikiye keserseniz, onardığında gücünün %100’ünü geri kazanır” dedi Demirel.

Metin Sitti, Almanya’nın Stuttgart şehrindeki Max Planck Enstitüsü’nde Fiziksel Zeka Departmanının müdürü.

“Kendini onaran fiziksel olarak akıllı yumuşak malzemeler, yakın gelecekte dayanıklı ve arızaya dayanıklı yumuşak robotlar ve aktüatörler inşa etmek için gereklidir” dedi Sitti.

Araştırmacılar ekibi, tandem tekrarların sayısını ayarlayarak hızla onaran yumuşak polimeri oluşturmayı başardı. Orijinal gücünü korurken, aynı zamanda polimeri %100 biyolojik olarak parçalanabilir ve aynı polimer olarak %100 geri dönüştürülebilir hale getirdiler.

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

Petrol Temelli Polimerler

“Petrol temelli polimerlerin kullanımını minimize etmek istiyoruz” dedi Demirel. “Er ya da geç petrolü tüketeceğiz ve bu aynı zamanda kirliliğe ve küresel ısınmaya neden oluyor. Gerçekten ucuz plastiklerle rekabet edemeyiz. Rekabet edebilmenin tek yolu, petrol temelli polimerlerin sunamayacağı bir şey sunmaktır ve kendiliğinden onarma gerekli performansı sağlar.”

Demirel’e göre, birçok petrol temelli polimer geri dönüştürülebilir, ancak farklı bir şeye dönüştürülür.

Biyomimetik polimerler biyolojik olarak parçalanabilir ve sirke gibi asitler tarafından toz haline getirilebilir, daha sonra bu toz orijinal kendiliğinden onaran polimer olarak üretilebilir.

Stephanie McElhinny, Ordu Araştırma Ofisi’nde biyokimya program yöneticisidir.

“Bu araştırma, sentetik biyoloji yaklaşımlarını kullanarak doğada var olan proteinlerin ötesine geçerek erişilebilecek malzeme özelliklerinin manzarasını aydınlatıyor” dedi McElhinny. “Bu sentetik proteinlerin hızlı ve yüksek güçlü kendiliğinden onarımı, kişisel koruyucu ekipman veya sınırlı alanlarda manevra yapabilen esnek robotlar gibi gelecekteki Ordu uygulamaları için yeni malzemeler sunma potansiyeline sahip.”