Konstgjorda muskler gjorda av polymerer kan nu drivas av energi från glukos och syre, precis som biologiska muskler. Detta framsteg kan vara ett steg på vägen till implanterbara konstgjorda muskler eller autonoma mikrorobotar som drivs av biomolekyler i sin omgivning. Forskare vid Linköpings universitet, Sverige, har presenterat sina resultat i tidningen Avancerade material .

Våra musklers rörelser drivs av energi som frigörs när glukos och syre deltar i biokemiska reaktioner. På ett liknande sätt, tillverkade ställdon kan omvandla energi till rörelse, men energin i det här fallet kommer från andra källor, som el. Forskare vid Linköpings universitet, Sverige, ville utveckla konstgjorda muskler som fungerar mer som biologiska muskler. De har nu demonstrerat principen med hjälp av konstgjorda muskler som drivs av samma glukos och syre som våra kroppar använder.

Forskarna har använt en elektroaktiv polymer, polypyrrol, som ändrar volym när en elektrisk ström passerar. Den konstgjorda muskeln, känd som en "polymer aktuator, " består av tre lager:ett tunt membranlager mellan två lager av elektroaktiv polymer. Denna design har använts i fält i många år. Den fungerar när materialet på ena sidan av membranet får en positiv elektrisk laddning och joner stöts ut, får den att krympa. På samma gång, materialet på andra sidan får en negativ elektrisk laddning och joner sätts in, vilket får materialet att expandera. Förändringarna i volym gör att ställdonet böjs i en riktning, på samma sätt som en muskel drar ihop sig.

Elektronerna som orsakar rörelse i konstgjorda muskler kommer normalt från en extern källa, till exempel ett batteri. Men batterier har flera uppenbara nackdelar:de är vanligtvis tunga, och behöver laddas regelbundet. Forskarna bakom studien bestämde sig istället för att använda tekniken bakom bioelektroder, som kan omvandla kemisk energi till elektrisk energi med hjälp av enzymer. De har använt naturligt förekommande enzymer, integrera dem i polymeren.

"Dessa enzymer omvandlar glukos och syre, på samma sätt som i kroppen, att producera de elektroner som krävs för att driva rörelse i en konstgjord muskel gjord av en elektroaktiv polymer. Ingen spänningskälla krävs:det räcker helt enkelt med att sänka ställdonet i en glukoslösning i vatten ", säger Edwin Jager, universitetslektor i sensor- och ställdonssystem, vid institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet. Tillsammans med Anthony Turner, Professor Emeritus, han har lett studien.

Precis som i biologiska muskler, glukosen omvandlas direkt till rörelse i de konstgjorda musklerna.

"När vi hade helt integrerade enzymer på båda sidor av ställdonet och det faktiskt rörde sig - ja, det var bara fantastiskt, " säger Jose Martinez, en medlem i forskargruppen.

Nästa steg för forskarna blir att kontrollera de biokemiska reaktionerna i enzymerna, så att rörelsen kan vara reversibel under många cykler. De har redan visat att rörelsen är reversibel, men de var tvungna att använda ett litet knep för att göra det. Nu vill de skapa ett system som är ännu närmare en biologisk muskel. Forskarna vill också testa konceptet med hjälp av andra ställdon som "textilmuskeln, "och tillämpa det i mikrorobotik.

"Glukos finns i alla organ i kroppen, och det är ett användbart ämne att börja med. Men det är möjligt att byta till andra enzymer, vilket skulle göra det möjligt att använda ställdonet i, till exempel, autonoma mikrorobotar för miljöövervakning i sjöar. De framsteg vi presenterar här gör det möjligt att driva ställdon med energi från ämnen i deras naturliga omgivning, säger Edwin Jager.