Натхненний кальмарами матеріал заживає за лічені секунди - звіт про інновації
Яма сама собою закриває MPI для інтелектуальних систем
Вчені з Інституту інтелектуальних систем Макса Планка (MPI-IS) у Штутгарті та Університету штату Пенсільванія (PSU) у США розробили м'який матеріал, який може зцілитись за секунду після пошкодження.
Молекулам попередніх деформованих самовідновлювальних матеріалів потрібно кілька годин або навіть днів, щоб відновити зв’язок - часто з невеликою міцністю в місці, де їх проколювали або розрізали.
Однак нещодавно розроблений розтяжний матеріал повністю відновлює свою структуру та властивості в один мить і знову і знову.
«Ми розробили новий матеріал, який може заживати набагато швидше, не втрачаючи своєї міцності. Ми пошкодили його різними способами, і кожного разу, коли він відновлювався протягом декількох секунд », - каже доктор. Абдон Пена-Франческа, перший автор публікації "Біосинтетичні самовідновлювальні матеріали для м’яких машин", яка буде опублікована в Nature Materials 27 липня. Спеціалізований журнал є одним із найвідоміших у галузі матеріалознавства.
М'які матеріали, що самозцілюються, викликають дедалі більший інтерес науковців, особливо до робототехніки. Це пов’язано з тим, що такий унікальний матеріал може стати вирішальним фактором того, чи можна насправді використовувати роботів у повсякденному житті.
Тому що, якщо одного разу роботи підтримують людей у дуже динамічних та непередбачуваних умовах, вони повинні бути виготовлені з м’якого та гнучкого матеріалу. Але чим м’якше, тим швидше матеріал руйнується.
Це обмежує довговічність і продуктивність, а отже, і практичне застосування роботів. Самозцілювальні сили за лічені секунди можуть компенсувати цей недолік.
У майбутньому такі роботи можуть застосовуватися у багатьох областях, наприклад у небезпечних ситуаціях, таких як відновлення землетрусу. Або матеріал використовується в захисному одязі, наприклад, рукавички, які можуть відновлюватись одразу після порізу.
Лікар. Пена-Франческа та його співавтори Dr. Хуйхун Юнг та професор Мелік К. Демірель з БДУ та професор Метін Сітті, директор Департаменту фізичного інтелекту в MPI-IS, були натхненні природою та численними чудесами землі. Вони шукали шаблон того, як можна було побудувати такий розумний матеріал.
"Нашою метою було використовувати синтетичну біологію для створення самовідновлюваного програмованого матеріалу, фізичні властивості якого ми можемо контролювати", - говорить професор Демірель. Потім команда дослідила молекулярну структуру та амінокислотні послідовності білків кальмарів.
Спираючись на це, вони розробили гнучкий, схожий на каучук матеріал за допомогою білкової інженерії. "Ми змінили молекулярну структуру, щоб ми могли довести самовідновлювальні властивості матеріалу до крайності", - додає він.
“Ми змогли скоротити 24-годинну фазу загоєння до однієї секунди. М'які роботи, побудовані з цього матеріалу, тепер могли моментально відремонтувати себе. У природі самовилікування займає багато часу. Наша технологія виводить природу в тінь ".
Восьминіг заживає довше, оскільки молекули білка в його щупальцях погано переплітаються. За допомогою матеріалу, розробленого в лабораторії, вчені змінили наноструктуру молекул так, що всі вони з’єднані між собою. “Мережа, в якій лише декілька пунктів пов’язані між собою, має слабкі місця. Але ми об’єднали всі точки і таким чином вдосконалили матеріал », - пояснює Пена-Франчеш.
До того ж: у той час як молекули попередніх гнучких матеріалів мають постійні зв’язки, які неможливо з’єднати, розділившись, з новим матеріалом ситуація інша. Кожен фізичний зв’язок є оборотним. З'єднання, які були розділені в один момент, клацають назад у правильне положення.
Надмолекулярна мережа з безпрецедентними властивостями самовідновлення відкриває велику невивчену область потенційних застосувань у робототехніці. "Самовідновлення фізично розумних м'яких матеріалів є найважливішим для побудови міцних і стійких до несправностей м'яких роботів найближчим часом", - говорить проф.
Його бачення полягає у використанні таких самовідновлювальних м'яких матеріалів для досліджень м'яких роботів-медиків або для покращення роботизованих рук-захватів. Для цього вже були випробування, наприклад, разом з ним піднімали різні предмети. Якщо якийсь предмет пошкодить руку захоплення під час носіння, він може легко зцілитися.