研究人员开发出自愈软体机器人执行器

宾夕法尼亚州立大学的研究人员团队已经开发出了一种解决软体机器人执行器由于反复活动而导致的磨损问题的方法：一种基于鱿鱼环齿的自愈生物合成聚合物。这种材料对执行器有益，但也可以应用于任何可能由于微小孔而引起问题的地方，例如危险品防护服。

根据《自然材料》杂志的报告，“当前的自愈材料存在一些缺陷，限制了它们的实际应用，例如低自愈强度和长自愈时间（小时）。”

研究人员从自然界中的自愈生物中汲取灵感，创造了高强度的合成蛋白质。它们能够自愈微小和可见的损伤。

梅利克·德米雷尔是工程科学和机械学教授，也是生物仿生材料领域的专家。

“我们的目标是使用合成生物学创建具有前所未有控制力和物理特性的自愈编程材料，”他说。

机器人臂和假肢

一些机器人设备，例如机器人臂和假肢，依赖于不断移动的关节。这需要一种软材料，同样适用于通风机和各种个人防护设备。这些材料，以及任何经历持续重复运动的材料，都有可能发展成小裂纹和裂缝，最后破裂。使用自愈材料，这些微小的裂纹可以在造成严重损害之前迅速修复。

DNA串联重复

研究人员通过使用一系列由基因复制产生的氨基酸组成的DNA串联重复来创建自愈聚合物。串联重复通常是一系列可以无限重复的分子。

阿本·佩纳-弗朗西斯是论文的第一作者，也是德米雷尔实验室的前博士生。

“我们能够将典型的24小时自愈期缩短到1秒，所以我们的基于蛋白质的软体机器人现在可以立即自愈，”阿本·佩纳-弗朗西斯说。“在自然界中，自愈需要很长时间。在这方面，我们的技术超越了自然。”

根据德米雷尔的说法，自愈聚合物可以通过水、热，甚至光的应用来自愈。

“如果你把这个聚合物切成两半，当它自愈后，它可以恢复100%的强度，”德米雷尔说。

梅廷·西蒂是德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所物理智能部门的主任。

“自我修复的物理智能软材料对于在不久的将来构建强健和容错的软体机器人和执行器至关重要，”西蒂说。

该团队能够通过调整串联重复的数量来创建快速自愈的软聚合物。它能够保持其原始强度，同时，他们也能够使聚合物100%可生物降解和100%可回收为相同的聚合物。

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石油基聚合物

“我们希望尽量减少使用石油基聚合物，出于多种原因，”德米雷尔说。“迟早我们会用完石油，它也会污染环境并导致全球变暖。我们无法与真正廉价的塑料竞争。唯一的竞争方式是提供石油基聚合物无法提供的东西，自愈提供了所需的性能。”

根据德米雷尔的说法，许多石油基聚合物可以被回收，但必须回收为不同的材料。

生物仿生聚合物可以生物降解，像醋这样的酸可以将其回收为粉末，然后可以将其制造为原始的自愈聚合物。

斯蒂芬妮·麦克尔欣尼是陆军研究办公室的生物化学项目经理。

“这项研究阐明了通过使用合成生物学超越自然界中存在的蛋白质来获得的材料特性的范围，”麦克尔欣尼说。“这些合成蛋白质的快速和高强度自愈表明，这种方法有潜力为未来陆军应用提供新型材料，例如个人防护设备或可以在狭小空间中机动的柔性机器人。”