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Protein-Engineering Flexible Roboterhaut mit sekundenschneller Selbstheilungskraft

| Autor / Redakteur: Linda Behringer* / Christian Lüttmann

Ob zerschnitten oder durchstoßen – ein neues gummiartiges Material kann Verletzungen wieder vollständig und stabil heilen. Innerhalb von Sekunden lässt es sich wieder zusammenfügen und ist dehnbar und reißfest wie zuvor. Das von Tintenfischen inspirierte Biomaterial könnte sich als Roboterhaut eignen.

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Ein Loch in dem neuartigen Material kann wieder vollständig verschlossen werden.
Ein Loch in dem neuartigen Material kann wieder vollständig verschlossen werden.
(Bild: MPI-IS)

Stuttgart, Pennsylvania/USA – Ein weiches Material, das sich nach einer Beschädigung innerhalb einer Sekunde selbst heilen kann. Solche eine Hightech-Substanz haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart und der Pennsylvania State University (PSU) in den USA haben. Die Moleküle bisheriger verformbarer selbstheilender Materialien brauchen mehrere Stunden oder sogar Tage, um sich wieder miteinander zu verbinden – oft mit geringer Festigkeit an der Stelle, an der sie durchstochen oder zerschnitten wurden. Das neu entwickelte dehnbare Material stellt jedoch seine Struktur und Eigenschaften im Handumdrehen vollständig wieder her, immer und immer wieder.

„Wir haben ein neues Material entwickelt, das viel schneller heilen kann, ohne seine Festigkeit zu verlieren. Wir haben es auf verschiedenste Weise beschädigt und jedes Mal hat es sich innerhalb von Sekunden repariert“, sagt Dr. Abdon Pena-Francesch vom MPI-IS, Erstautor der Studie.

Vorbild: Tintenfisch

Pena-Francesch und seine Co-Autoren ließen sich von der Natur für ihren selbstheilenden Werkstoff inspirieren. Sie suchten nach einer Vorlage, wie ein solch intelligentes Material gebaut werden könnte. „Unser Ziel war es, mithilfe der Synthetischen Biologie ein selbstheilendes, programmierbares Material zu kreieren, dessen physikalische Eigenschaften wir kontrollieren können“, sagt Prof. Melik C. Demirel, einer der Studienautoren von der PSU.

Die gewünschten Eigenschaften hoffte das Team in der Molekülstruktur und den Aminosäuresequenzen von Tintenfischproteinen zu finden. Darauf aufbauend entwickelten sie mithilfe des Protein-Engineering das flexible, gummiartige Selbstheilungsmaterial. „Wir veränderten die molekulare Struktur so, dass wir die Selbstheilungskräfte des Materials auf die Spitze treiben konnten“, ergänzt Demirel. „Wir konnten eine 24-Stunden dauernde Heilungsphase auf eine Sekunde verkürzen. Soft-Roboter, die aus diesem Material gebaut wären, könnten sich nun sofort selbst reparieren. In der Natur dauert die Selbstheilung sehr lange. Unsere Technologie stellt damit die Natur in den Schatten.“

Vernetzte Nanostruktur erlaubt rasante Heilung

Ein Tintenfisch braucht länger, um zu heilen, da die Protein-Moleküle in seinen Tentakeln nur lückenhaft miteinander verwoben sind. Bei dem im Labor entwickelten Material veränderten die Wissenschaftler die Nanostruktur der Moleküle so, dass sie alle miteinander verbunden sind. „Ein Netzwerk, in dem nur wenige Punkte miteinander verbunden sind, birgt Schwachstellen. Wir aber haben alle Punkte miteinander vernetzt und das Material so verbessert“, erklärt MPI-Forscher Pena-Francesch.

Auch die Art der Verbindungen hat das Forscherteam optimiert: In bisherigen flexiblen Materialien haben die Moleküle permanente Verbindungen, die – einmal getrennt – nicht wieder zusammengefügt werden können. Anders verhält es sich bei dem neuen Material: Jede physikalische Verbindung ist reversibel. Verbindungen, die an einer Stelle getrennt wurden, klicken wieder in die richtige Position zurück.

Das Video aus der Originalpublikation von Pena-Francesch, A., Jung, H., Demirel, M.C. et al. zeigt, wie sich das zerschnittene Material unter Hitzeeinfluss blitzschnell wieder zusammenfügt und seine ursprüngliche Stabilität zurückerhält:

Anwendung in der Robotik

Ein supramolekulares Netzwerk mit beispiellosen Selbstheilungseigenschaften eröffnet ein großes unerforschtes Gebiet möglicher Anwendungen in der Robotik. „Selbstreparierende, physikalisch intelligente, weiche Materialien sind für den Bau robuster und fehlertoleranter Soft-Roboter in naher Zukunft unerlässlich“, sagt Prof. Metin Sitti, Co-Autor und Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS. Seine Vision ist es, solche selbstreparierenden weichen Materialien bei der Erforschung medizinischer Soft-Roboter einzusetzen oder um Robotergreifarme noch besser zu machen. Tests dazu gab es bereits, zum Beispiel wurden verschiedene Objekte damit angehoben. Wenn ein Objekt dann beim Herumtragen den Greifarm beschädigt, könnte der Greifer sich leicht selbst heilen.

In Zukunft könnten weiche Roboter mit selbstheilenden Materialien in vielen Bereichen eingesetzt werden, zum Beispiel in gefährlichen Situationen wie der Erdbebenbergung. Oder das Material kommt bei Schutzkleidung wie Handschuhen zum Einsatz, die sich nach einem Schnitt sofort selbst reparieren können.

Originalpublikation: Pena-Francesch, A., Jung, H., Demirel, M.C. et al.: Biosynthetic self-healing materials for soft machines, Nat. Mater. (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0736-2

* L. Behringer, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, 70569 Stuttgart

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