软机器人执行器可以自我修复

大学公园,爸爸。-软机器人执行机构的重复活动会磨损，但这些机器的活动部件需要可靠和容易固定。现在，一组研究人员已经研制出一种生物合成聚合物，这种聚合物以鱿鱼的环状牙齿为原型，具有自愈性和可生物降解性，这种材料不仅适用于执行器，也适用于防护服和其他可能造成危险的小孔。

研究人员在今天(7月27日)出版的《自然材料》(Nature materials)上报告说:“目前的自愈材料有一些缺点，限制了它们的实际应用，比如愈合强度低、愈合时间(小时)长。”

研究人员制造出了高强度的合成蛋白质，模仿自然界中发现的蛋白质。就像它们所模仿的生物一样，这些蛋白质可以自我修复微小的和可见的损伤。

工程科学和力学教授梅利克·德米雷尔(Melik Demirel)说:“我们的目标是利用合成生物学创造出具有自我修复能力的可编程材料，并对其物理特性进行前所未有的控制。”德米雷尔是Lloyd and Dorothy Foehr Huck椅的仿生材料持有者。

拥有工业机械臂和假肢的机器人的关节可以移动，需要柔软的材料来适应这种运动。呼吸机和各种个人防护设备也是如此。但是，所有的材料在不断的重复运动下会产生细小的裂缝和裂缝，最终破裂。使用自愈合材料，最初的微小缺陷是可修复的，在灾难性的故障发生之前。

德米雷尔的团队通过使用一系列由基因复制产生的氨基酸组成的DNA串联重复序列，创造出了这种自愈合聚合物。串联重复序列通常是短的分子序列，排列起来重复自己的任何次数。研究人员在标准的细菌生物反应器中制造这种聚合物。

“我们能够将典型的24小时愈合周期缩短到1秒，所以我们的蛋白质软机器人现在可以立即自我修复，”该论文的第一作者、德米rel实验室的前博士生Abdon Pena-Francesch说。“在自然界中，自我修复需要很长时间。从这个意义上说，我们的技术比自然更聪明。”

尽管德米雷尔说，这种自愈聚合物也可以使用光进行治疗，但它可以通过水和热进行治疗。

德米雷尔说:“如果你把这种聚合物切成两半，当它愈合时，它会恢复100%的强度。”

德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所物理智能部主任梅廷·Sitti和他的团队正在研究这种聚合物，制造孔洞并修复它们。然后他们创造了软致动器，通过使用，它会在大约一秒钟的时间内实时破裂和愈合。

“在不久的将来，自我修复、物理智能的软材料对于建造坚固和容错的软机器人和执行器是必不可少的，”Sitti说。

通过调整串联重复序列的数量，德米雷尔的团队创造了一种柔软的聚合物，这种聚合物愈合迅速，并保持原来的强度，但他们也创造了一种100%可生物降解和100%可回收的聚合物，变成原来的聚合物。

德米雷尔说:“出于许多原因，我们希望尽量减少使用石油基聚合物。”“我们迟早会用完石油，它也会造成污染，并导致全球变暖。我们无法与真正便宜的塑料竞争。唯一的竞争方式是提供石油基聚合物不能提供的东西，自我修复可以提供所需的性能。”

德米雷尔解释说，虽然许多以石油为基础的聚合物可以被回收利用，但它们被回收后会变成不同的东西。例如，聚酯t恤可以回收成瓶子，但不能再回收成聚酯纤维。

正如该聚合物模拟的乌贼在海洋中生物降解一样，仿生聚合物也会生物降解。加入一种类似酸的醋，这种聚合物也会回收成粉末，再可以制造成同样柔软、自愈的聚合物。

美国陆军研究办公室的生物化学项目经理Stephanie McElhinny说:“这项研究表明，通过使用合成生物学方法，材料性能可以超越自然界中存在的蛋白质。”陆军研究办公室是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个组成部分。“这些合成蛋白质的快速和高强度自愈合证明了这种方法为未来军队应用提供新材料的潜力，如个人防护装备或可在有限空间机动的灵活机器人。”

同样参与这个项目的还有宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学博士后郑慧勋。

马克斯·普朗克学会、亚历山大·冯·亨伯特基金会、德国联邦教育和研究部、美国陆军研究办公室和宾夕法尼亚州立大学哈克基金会都支持这项工作。