Zelfhelende ‘huid’ voor robots (video)

Er zijn al zelfherstellende materialen op de markt, maar de onderzoekers vonden dat deze nog te veel tekortkomingen hebben, zoals een lage genezingskracht (minder dan 1 megapascal) en een lange genezingsduur (meerdere uren). Zij introduceren nu een synthetisch eiwit met een hoge sterkte dat mechanische schade (sneeën en scheuren) binnen een seconde kan herstellen door lokale verhitting. Het onderzoek is een samenwerking tussen professors van het Max-Planck-Instituut voor Intelligente Systemen (MPI-IS) in Stuttgart en de Pennsylvania State University (PSU) uit de Verenigde Staten en is gepubliceerd in Nature Materials.

De onderzoekers ontwierpen biomimetische sequenties die geïnspireerd zijn op eiwitten in pijlinktvisringtanden. Een reeks DNA-tandem herhalingen bestaand uit aminorzuren die door genenduplicatie worden geproduceerd, resulteerde uiteindelijk in een nieuw flexibel materiaal. Tandem herhalingen zijn meestal korte series van moleculen die zo zijn gerangschikt dat ze zichzelf een willekeurig aantal keren kunnen herhalen.

‘We waren in staat om een typische genezingstijd van 24 uur terug te brengen tot één seconde, zodat onze op eiwitten gebaseerde zachte robots zichzelf nu onmiddellijk kunnen herstellen,’ zei Abdon Pena-Francesch, hoofdauteur van het onderzoek. ‘In de natuur duurt zelfgenezing lang. In die zin is onze technologie de natuur te slim af.’

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

‘Als je dit polymeer doormidden snijdt, wint het, als het geneest, 100% van zijn kracht terug,’ aldus onderzoeker Demirel. Door het aantal tandemherhalingen aan te passen, creëerde Demirel’s team een zacht polymeer dat snel genas en zijn oorspronkelijke sterkte behield, maar ze creëerden ook een polymeer dat 100% biologisch afbreekbaar is en 100% recyclebaar is in hetzelfde, originele polymeer. Daarbij kan het ook steeds weer opnieuw herstellen.

Het materiaal is uitermate geschikt voor robots en actuatoren. ‘Zelfreparerende, fysiek intelligente zachte materialen zijn essentieel voor het bouwen van robuuste en fouttolerante softrobots en actuators in de nabije toekomst’, zegt Prof. Metin Sitti. Sitti en zijn team bij MPI-IS zijn van plan om dergelijke zelfherstellende zachte materialen te gebruiken in hun onderzoek naar medische softrobots en naar robotgrijpers. Daarnaast zou het materiaal ook geschikt zijn voor beschermende kleding. In Amerika is er bijvoorbeeld interesse vanuit het leger.