Onze huid en ons lichaam kunnen veel schade zelf herstellen door het zelfherstellend vermogen. Een snee in je vinger is geen reden om de hulp van een arts in te roepen. Na een paar dagen geneest de wond zonder problemen. Dat was tot dusver anders met niet-biologisch materiaal. Een gescheurd kledingstuk repareert zichzelf helaas niet. Wetenschappers hebben echter nu een stof ontwikkeld die zichzelf herstelt. Binnen een paar seconden.
Onderzoekers van het Max-Planck-Instituut voor Intelligente Systemen (MPI-IS) in Stuttgart en de Pennsylvania State University (PSU) in de VS kregen dit voor elkaar door de nanostructuur van een nieuw buigzaam materiaal te veranderen. “Het kan zijn structuur en eigenschappen volledig terugkrijgen nadat het is doorgesneden of doorboord”.
Dit materiaal, dat een revolutie kan betekenen voor het onderzoek op het gebied van de robotica, is geïnspireerd door inktvis. Dit materiaal zou vele toepassingen mogelijk maken in een wereld “waarin robots het hoofd moeten bieden aan dynamische en onvoorspelbare omgevingen”, aldus de wetenschappers.
Herstel zonder verlies van kwaliteit
Bij vorige kneedbare, zelfherstellende materialen hebben moleculen uren of zelfs dagen nodig voordat ze weer samenkomen. Bovendien bereikt het beschadigde gebied niet meer de oorspronkelijke sterkte. Het nieuw ontwikkelde rekbare materiaal is anders. Het is in staat om zijn structuur en eigenschappen in een mum van tijd volledig te herstellen. Steeds weer opnieuw.
“We hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat veel sneller kan herstellen zonder zijn kracht te verliezen. We hebben het op verschillende manieren kapot gemaakt. En elke keer repareerde het zichzelf binnen enkele seconden,” zegt Dr. Abdon Pena-Francesch, eerste auteur van het artikel Biosynthetic self-healing materials for soft machines, dat in het vaktijdschrift Nature Materials werd gepubliceerd.
Toepassingen in de robottechnologie van morgen
In de wetenschap spelen zelfherstellende materialen een belangrijke rol, vooral met betrekking tot robotica. Daar kan zo’n materiaal bepalend zijn voor het dagelijks gebruik van robots. “Als op een dag robots mensen in zeer dynamische en onvoorspelbare omgevingen ondersteunen, dan moeten ze gemaakt zijn van een zacht en flexibel materiaal”, benadrukken de onderzoekers. Maar hoe zachter de robots zijn, hoe sneller het materiaal kapot kan gaan. Dit heeft invloed op zowel de duurzaamheid als de gebruiksmogelijkheden. Als het materiaal echter in een oogwenk zou kunnen herstellen, zou schade geen probleem meer zijn. In de toekomst kunnen dergelijke robots gebruikt worden in gevaarlijke situaties zoals de redding van slachtoffers na aardbevingen. Het materiaal kan ook worden gebruikt in beschermende kleding zoals handschoenen.
Dr. Pena-Francesch en zijn co-auteurs Dr. Huihun Jung en Prof. Melik C. Demirel van de PSU en Prof. Metin Sitti, directeur van de afdeling Fysieke Intelligentie van het MPI-IS, vonden een voorbeeld voor het nieuwe materiaal in de natuurlijke genezende krachten van de inktvis. “Ons doel was om met behulp van synthetische biologie een zelfherstellend, programmeerbaar materiaal te creëren waarvan we de fysieke eigenschappen kunnen controleren”, zegt Prof. Demirel.
Na een studie van de moleculaire structuur en de aminozuursequenties van pijlinktvisproteïnen wist het team een flexibel, rubberachtige materiaal te ontwikkelen. “We hebben de moleculaire structuur zodanig veranderd dat we de zelfherstellende krachten van het materiaal konden opdrijven”, vervolgt Demirel. “We waren in staat om een 24-uurs genezingsfase in te korten tot een seconde. Zachte robots, gebouwd van dit materiaal, kunnen zich nu direct repareren. In de natuur duurt zelfgenezing erg lang. “Onze technologie zet de natuur in de schaduw.”
Sneller dan de natuur
In de natuur heeft een inktvis inderdaad veel langer nodig om te genezen. Dat komt omdat de eiwitmoleculen in zijn tentakels slechts onvolledig met elkaar verbonden zijn. Het materiaal dat in het laboratorium is ontwikkeld, is door de onderzoekers zodanig gemodificeerd dat de moleculen met elkaar verbonden zijn. “Een netwerk waarin slechts enkele punten met elkaar zijn verbonden, bevat zwakke punten. Maar we hebben alle punten aan elkaar gekoppeld en zo het materiaal verbeterd”, legt Pena-Francesch uit. Terwijl de moleculen van de vorige flexibele materialen permanente verbindingen hadden die niet opnieuw konden worden samengesteld als ze eenmaal waren gescheiden, is de situatie anders met het nieuwe materiaal. “Elke fysieke verbinding is omkeerbaar. Verbindingen die op één punt zijn gescheiden, klik je terug op hun plaats.”
Een supramoleculair netwerk met ongekende zelfherstellende eigenschappen opent een groot onontgonnen gebied van potentiële toepassingen in de robotica, benadrukken de auteurs. “Zelfreparerende, fysiek intelligente zachte materialen zijn essentieel voor de bouw van robuuste softrobots in de nabije toekomst”, zegt Prof. Metin Sitti. Zijn visie is “om dergelijke zelfherstellende zachte materialen te gebruiken in onderzoek naar medische robots of om robotgrijparmen nog beter te maken”.
