Herhaalde activiteit slijt op zachte robotactuatoren, maar de bewegende delen van deze machine moeten betrouwbaar en gemakkelijk te repareren zijn. Nu heeft een team van onderzoekers een biosynthetisch polymeer, gevormd naar de tanden van de pijlinktvisring, dat is zelfherstellend en biologisch afbreekbaar, het creëren van een materiaal dat niet alleen goed is voor actuatoren, maar ook voor hazmatpakken en andere toepassingen waar kleine gaatjes gevaar kunnen opleveren.

"De huidige zelfherstellende materialen hebben tekortkomingen die hun praktische toepassing beperken, zoals lage genezingskracht en lange genezingstijden (uren), " het onderzoeksrapport in het huidige nummer van Natuurmaterialen .

De onderzoekers produceerden hoogwaardige synthetische eiwitten die lijken op die in de natuur. Zoals de wezens waarop ze zijn gemodelleerd, de eiwitten kunnen zowel kleine als zichtbare schade zelf herstellen.

"Ons doel is om zelfherstellende programmeerbare materialen te creëren met ongekende controle over hun fysieke eigenschappen met behulp van synthetische biologie, " zei Melik Demirel, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica en houder van de Lloyd en Dorothy Foehr Huck-leerstoel in Biomimetic Materials.

Robotmachines van industriële robotarmen en prothetische benen hebben gewrichten die bewegen en hebben een zacht materiaal nodig dat deze beweging kan opvangen. Dat geldt ook voor ventilatoren en verschillende soorten persoonlijke beschermingsmiddelen. Maar, alle materialen ontwikkelen onder voortdurend herhalende beweging kleine scheurtjes en barsten en breken uiteindelijk. Met behulp van een zelfherstellend materiaal, de eerste kleine defecten kunnen worden gerepareerd voordat er een catastrofale storing optreedt.

Het team van Demirel maakt het zelfherstellende polymeer door een reeks DNA-tandemherhalingen te gebruiken die bestaan ​​uit aminozuren die zijn geproduceerd door genduplicatie. Tandemherhalingen zijn meestal korte reeksen moleculen die zijn gerangschikt om zichzelf een willekeurig aantal keren te herhalen. De onderzoekers maken het polymeer in standaard bacteriële bioreactoren.

"We waren in staat om een ​​typische herstelperiode van 24 uur te verkorten tot één seconde, zodat onze op eiwit gebaseerde zachte robots zichzelf nu onmiddellijk kunnen repareren. " zei Abdon Pena-Francelsch, hoofdauteur van het artikel en een voormalig doctoraatsstudent in het laboratorium van Demirel. "In de natuur, zelfgenezing duurt lang. In deze betekenis, onze technologie is de natuur te slim af."

Het zelfherstellende polymeer geneest met de toepassing van water en warmte, hoewel Demirel zei dat het ook met licht kon genezen.

"Als je dit polymeer doormidden snijdt, wanneer het geneest, krijgt het 100 procent van zijn kracht terug, ' zei Demirel.

Metin Sitti, regisseur, Afdeling Fysische Intelligentie van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen, Stuttgart, Duitsland, en zijn team, werkten met het polymeer, gaten maken en ze genezen. Vervolgens creëerden ze zachte actuatoren die, door gebruik, gebarsten en vervolgens in realtime genezen - ongeveer een seconde.

"Zelfherstellende fysiek intelligente zachte materialen zijn essentieel voor het bouwen van robuuste en fouttolerante zachte robots en actuatoren in de nabije toekomst, ' zei Sitti.

Door het aantal tandemherhalingen aan te passen, Het team van Demirel creëerde een zacht polymeer dat snel genas en zijn oorspronkelijke sterkte behield, maar ze creëerden ook een polymeer dat 100% biologisch afbreekbaar en 100% recyclebaar is tot hetzelfde, originele polymeer.

"We willen het gebruik van op aardolie gebaseerde polymeren om vele redenen minimaliseren, "zei Demirel. "Vroeg of laat zullen we zonder aardolie komen te zitten en het is ook vervuilend en veroorzaakt opwarming van de aarde. We kunnen niet concurreren met de echt goedkope kunststoffen. De enige manier om te concurreren is door iets te leveren dat de op aardolie gebaseerde polymeren niet kunnen leveren en zelfgenezing biedt de benodigde prestaties."

Demirel legde uit dat hoewel veel op aardolie gebaseerde polymeren kunnen worden gerecycled, ze worden gerecycled tot iets anders. Bijvoorbeeld, polyester t-shirts kunnen worden gerecycled tot flessen, maar niet weer in polyestervezels.

Net zoals de inktvis die het polymeer biologisch afbreekt in de oceaan, het biomimetische polymeer zal biologisch afbreken. Met de toevoeging van een zuur zoals azijn, het polymeer zal ook worden gerecycled tot een poeder dat opnieuw tot hetzelfde kan worden gemaakt, zacht, zelfherstellend polymeer.

"Dit onderzoek belicht het landschap van materiaaleigenschappen die toegankelijk worden door verder te gaan dan eiwitten die in de natuur voorkomen met behulp van synthetische biologiebenaderingen, " zei Stephanie McElhinny, programmamanager biochemie, Legeronderzoeksbureau, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. "De snelle en krachtige zelfgenezing van deze synthetische eiwitten toont het potentieel van deze aanpak om nieuwe materialen te leveren voor toekomstige legertoepassingen, zoals persoonlijke beschermingsmiddelen of flexibele robots die in kleine ruimtes kunnen manoeuvreren."