Kunstmatige spieren gemaakt van polymeren kunnen nu worden aangedreven door energie uit glucose en zuurstof, net als biologische spieren. Deze vooruitgang kan een stap zijn op weg naar implanteerbare kunstmatige spieren of autonome microrobots aangedreven door biomoleculen in hun omgeving. Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Zweden, hebben hun resultaten in het tijdschrift gepresenteerd Geavanceerde materialen .

De beweging van onze spieren wordt aangedreven door energie die vrijkomt wanneer glucose en zuurstof deelnemen aan biochemische reacties. Op een soortgelijke manier, gefabriceerde actuatoren kunnen energie omzetten in beweging, maar de energie komt in dit geval uit andere bronnen, zoals elektriciteit. Wetenschappers van de Universiteit van Linköping, Zweden, wilde kunstmatige spieren ontwikkelen die meer als biologische spieren werken. Ze hebben nu het principe gedemonstreerd met behulp van kunstmatige spieren die worden aangedreven door dezelfde glucose en zuurstof die ons lichaam gebruikt.

De onderzoekers hebben een elektroactief polymeer gebruikt, polypyrrool, die van volume verandert wanneer een elektrische stroom wordt doorgegeven. De kunstmatige spier, bekend als een "polymeeractuator, " bestaat uit drie lagen:een dunne membraanlaag tussen twee lagen elektroactief polymeer. Dit ontwerp wordt al vele jaren in het veld gebruikt. Het werkt wanneer het materiaal aan één kant van het membraan een positieve elektrische lading krijgt en ionen worden verdreven, waardoor het krimpt. Tegelijkertijd, het materiaal aan de andere kant krijgt een negatieve elektrische lading en ionen worden ingebracht, waardoor het materiaal uitzet. De veranderingen in volume zorgen ervoor dat de actuator in één richting buigt, op dezelfde manier als een spier samentrekt.

De elektronen die beweging in kunstmatige spieren veroorzaken, komen normaal gesproken van een externe bron, zoals een batterij. Maar batterijen hebben een aantal duidelijke nadelen:ze zijn meestal zwaar, en moet regelmatig worden opgeladen. De wetenschappers achter de studie besloten in plaats daarvan de technologie achter bio-elektroden te gebruiken, die met behulp van enzymen chemische energie kan omzetten in elektrische energie. Ze hebben natuurlijke enzymen gebruikt, door ze in het polymeer te integreren.

"Deze enzymen zetten glucose en zuurstof om, op dezelfde manier als in het lichaam, om de elektronen te produceren die nodig zijn voor de beweging in een kunstmatige spier gemaakt van een elektroactief polymeer. Er is geen spanningsbron nodig:het volstaat om de actuator simpelweg onder te dompelen in een oplossing van glucose in water", zegt Edwin Jager, hoofddocent Sensor- en Actuatorsystemen, bij de afdeling Natuurkunde, Scheikunde en biologie aan de Universiteit van Linköping. Samen met Anthony Turner, Professor Emeritus, hij heeft de studie geleid.

Net als bij biologische spieren, de glucose wordt direct omgezet in beweging in de kunstmatige spieren.

"Toen we volledig geïntegreerde enzymen aan beide kanten van de actuator hadden en het daadwerkelijk bewoog - nou ja, het was gewoon geweldig, " zegt José Martínez, een lid van de onderzoeksgroep.

De volgende stap voor de onderzoekers is het beheersen van de biochemische reacties in de enzymen, zodat de beweging voor vele cycli omkeerbaar kan zijn. Ze hebben al aangetoond dat de beweging omkeerbaar is, maar daarvoor moesten ze een klein trucje gebruiken. Nu willen ze een systeem creëren dat nog dichter bij een biologische spier staat. De onderzoekers willen het concept ook testen met andere actuatoren zoals de "textiele spier, " en pas het toe in microrobotica.

"Glucose is beschikbaar in alle organen van het lichaam, en het is een nuttige stof om mee te beginnen. Maar het is mogelijk om over te schakelen naar andere enzymen, waardoor de actuator kan worden gebruikt in, bijvoorbeeld, autonome microrobots voor milieumonitoring in meren. De vorderingen die we hier presenteren, maken het mogelijk om actuatoren aan te drijven met energie uit stoffen in hun natuurlijke omgeving, ' zegt Edwin Jager.