Upprepad aktivitet sliter på mjuka robotaktuatorer, men de här maskinens rörliga delar måste vara pålitliga och lätta att fixa. Nu har ett team av forskare en biosyntetisk polymer, mönstrade efter tänder av bläckfiskring, som är självläkande och biologiskt nedbrytbart, skapa ett material som inte bara är bra för ställdon, men också för hazmat-dräkter och andra applikationer där små hål kan orsaka fara.

"Nuvarande självläkande material har brister som begränsar deras praktiska tillämpning, såsom låg läkningsstyrka och långa läkningstider (timmar), " rapporterar forskaren i dagens nummer av Naturmaterial .

Forskarna producerade höghållfasta syntetiska proteiner som efterliknar de som finns i naturen. Liksom varelserna de är mönstrade på, proteinerna kan självläka både små och synliga skador.

"Vårt mål är att skapa självläkande programmerbara material med oöverträffad kontroll över deras fysiska egenskaper med hjälp av syntetisk biologi, sa Melik Demirel, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik och innehavare av Lloyd och Dorothy Foehr Huck-stolen i biomimetiska material.

Robotmaskiner från industriella robotarmar och benproteser har leder som rör sig och kräver ett mjukt material som klarar denna rörelse. Så även ventilatorer och personlig skyddsutrustning av olika slag. Men, allt material under ständiga repetitiva rörelser utvecklar små revor och sprickor och går så småningom sönder. Med hjälp av ett självläkande material, de initiala små defekterna kan repareras innan katastrofala fel uppstår.

Demirels team skapar den självläkande polymeren genom att använda en serie DNA-tandemupprepningar som består av aminosyror som produceras genom genduplicering. Tandemupprepningar är vanligtvis korta serier av molekyler arrangerade för att upprepa sig hur många gånger som helst. Forskarna tillverkar polymeren i vanliga bakteriella bioreaktorer.

"Vi kunde minska en typisk 24-timmars läkningsperiod till en sekund så att våra proteinbaserade mjuka robotar nu kan reparera sig själva omedelbart, sade Abdon Pena-Francelsch, huvudförfattare till tidningen och en före detta doktorand i Demirels labb. "I naturen, självläkning tar lång tid. I det här sammanhanget, vår teknik överträffar naturen."

Den självläkande polymeren läker med applicering av vatten och värme, även om Demirel sa att det också kunde läka med hjälp av ljus.

"Om du skär den här polymeren på mitten, när den läker får den tillbaka 100 procent av sin styrka, sa Demirel.

Metin Sitti, direktör, Physical Intelligence Department vid Max Planck Institute for Intelligent Systems, Stuttgart, Tyskland, och hans team, arbetade med polymeren, skapa hål och läka dem. De skapade sedan mjuka ställdon som, genom användning, sprack och läkte sedan i realtid – ungefär en sekund.

"Självreparerande fysiskt intelligenta mjuka material är avgörande för att bygga robusta och feltoleranta mjuka robotar och ställdon inom en snar framtid, sa Sitti.

Genom att justera antalet tandemupprepningar, Demirels team skapade en mjuk polymer som läkte snabbt och behöll sin ursprungliga styrka, men de skapade också en polymer som är 100 % biologiskt nedbrytbar och 100 % återvinningsbar till samma, original polymer.

"Vi vill minimera användningen av petroleumbaserade polymerer av många skäl, ", sa Demirel. "Förr eller senare kommer vi få slut på petroleum och det förorenar också och orsakar global uppvärmning. Vi kan inte konkurrera med de riktigt billiga plasterna. Det enda sättet att konkurrera är att leverera något som de petroleumbaserade polymererna inte kan leverera och självläkning ger den prestanda som behövs."

Demirel förklarade att även om många petroleumbaserade polymerer kan återvinnas, de återvinns till något annat. Till exempel, polyester t-shirts kan återvinnas till flaskor, men inte i polyesterfibrer igen.

Precis som bläckfisken som polymeren efterliknar biologiska nedbrytningar i havet, den biomimetiska polymeren kommer att brytas ned biologiskt. Med tillsats av en syra som vinäger, polymeren kommer också att återvinnas till ett pulver som återigen kan tillverkas till detsamma, mjuk, självläkande polymer.

"Denna forskning belyser landskapet av materialegenskaper som blir tillgängliga genom att gå bortom proteiner som finns i naturen med hjälp av syntetiska biologiska metoder, sa Stephanie McElhinny, programledare för biokemi, Arméns forskningskontor, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory. "Den snabba och höghållfasta självläkningen av dessa syntetiska proteiner visar potentialen hos detta tillvägagångssätt för att leverera nya material för framtida arméapplikationer, som personlig skyddsutrustning eller flexibla robotar som kan manövrera i trånga utrymmen."