Дослідники розробили самоґійні м’які робототехнічні актуатори

Команда дослідників університету штату Пенсільванія розробила рішення проблеми зношування м’яких робототехнічних актуаторів через повторювану діяльність: самоґійний біосинтетичний полімер на основі зубів кальмара. Цей матеріал корисний для актуаторів, але його також можна застосовувати будь-де, де можуть виникнути проблеми через дрібні отвори, наприклад, в костюмах для захисту від небезпечних речовин.

За повідомленням у Nature Materials, “Поточні самоґійні матеріали мають недоліки, які обмежують їхнє практичне застосування, наприклад, низьку міцність відновлення та тривалий час відновлення (години).”

Взявши за приклад самоґійні істоти в природі, дослідники створили високоміцні синтетичні білки. Вони здатні самоґійнути мікроскопічні та видимі пошкодження.

Мелік Демірель – професор інженерної науки та механіки та володар кафедри біомімікрії Ллойда та Дороті Фегер Гух.

“Наша мета – створити самоґійні програмовані матеріали з незвичайним контролем над їхніми фізичними властивостями за допомогою синтетичної біології”, – сказав він.

Робототехнічні руки та протези

Деякі робототехнічні машини, наприклад, робототехнічні руки та протези ніг, залежать від суглобів, які постійно рухаються. Це вимагає м’якого матеріалу, і те саме стосується вентиляторів та різних видів засобів індивідуального захисту. Ці матеріали, а також ті, які піддаються постійному повторюваному руху, ризикують розвитком дрібних тріщин та розривів, врешті-решт ламаються. З використанням самоґійного матеріалу ці дрібні тріщини можна швидко відновити до того, як буде завдана серйозна шкода.

ДНК-тандемові повтори

Команда дослідників створила самоґійний полімер за допомогою серії ДНК-тандемових повторів, що складаються з амінокислот, отриманих шляхом дуплікації генів. Тандемові повтори часто являють собою коротку серію молекул, які можуть повторюватися необмежену кількість разів.

Абдон Пена-Франчелш – головний автор статті та колишній докторант лабораторії Деміреля.

“Ми змогли скоротити типовий 24-годинний період відновлення до однієї секунди, тому наші білкові м’які робототехнічні засоби тепер можуть відновлюватися миттєво”, – сказав Абдон Пена-Франчелш. “У природі самоґійництво займає тривалий час. У цьому сенсі наша технологія перевершує природу.”

За словами Деміреля, самоґійний полімер може відновлюватися за допомогою води, тепла та навіть світла.

“Якщо ви розрізали цей полімер навпіл, то при відновленні він повертає 100 відсотків своєї міцності”, – сказав Демірель.

Метін Сітті – директор відділу фізичної інтелектуальності Інституту інтелектуальних систем імені Макса Планка, Штутгарт, Німеччина.

“Самоґійні фізично інтелектуальні м’які матеріали є необхідними для створення надійних та безвідмовних м’яких робототехнічних засобів та актуаторів у найближчому майбутньому”, – сказав Сітті.

Команда змогла створити швидко відновлюваний м’який полімер, регулюючи кількість тандемових повторів. Він здатний зберігати свою первинну міцність, а також вони змогли зробити полімер 100 відсотків біорозкладним та 100 відсотків переробним у той самий полімер.

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

Полімери на основі нафти

“Ми хочемо мінімізувати використання полімерів на основі нафти з багатьох причин”, – сказав Демірель. “Часом ми вичерпаємо нафту, а також вона забруднює довкілля та спричиняє глобальне потепління. Ми не можемо конкурувати з дуже дешевими пластиками. Єдиний спосіб конкурувати – це надавати щось, чого не можуть надати полімери на основі нафти, а саме самоґійництво, яке забезпечує необхідну продуктивність.”

За словами Деміреля, багато полімерів на основі нафти можна переробляти, але тільки в щось інше.

Біомімікрійні полімери здатні біорозкладатися, а кислоти, такі як оцет, можуть переробляти їх у порошок, який потім можна виготовляти у первинний самоґійний полімер.

Стефані Макелгінні – програмний менеджер з біохімії офісу армійських досліджень.

“Цей досліджень освітлює ландшафт властивостей матеріалів, які стають доступними за допомогою синтетичної біології, виходячи за рамки білків, які існують у природі”, – сказала Макелгінні. “Швидке та високоміцне самоґійництво цих синтетичних білків демонструє потенціал цього підходу для створення нових матеріалів для майбутніх армійських застосувань, таких як засоби індивідуального захисту або гнучкі робототехнічні засоби, які можуть маневрувати у обмежених просторах.”