Artificiella muskler av polymermaterial kan nu drivas med energi från sockerarten glukos och syre på liknande sätt som biologiska muskler. Utvecklingen kan vara ett steg mot möjliga framtida implanterbara konstgjorda muskler eller självgående mikrorobotar som kan drivas av biomolekyler i omgivningen.

Den konstgjorda muskeln består av polymermaterial, som forskarna har integrerat enzymer i. Vatten med glukos och syre i fungerar som bränsle för polymeraktuatorn, på liknande sätt som i kroppens muskler. 

Rörelserna i våra muskler drivs av energi som frigörs när glukos och syre omvandlas genom biokemiska reaktioner. På liknande sätt kan t.ex. robotar omvandla energi till rörelse, men energin kommer då normalt från andra energikällor, t.ex. elektricitet.

Forskare vid Linköpings universitet har i en studie som publicerats i tidskriften Advanced Materials, demonstrerat principen med konstgjorda muskler som drivs av samma glukos och syre som våra kroppar använder.

Forskarna har använt ett elektroaktivt polymermaterial, polypyrrol, som ändrar volym när det tar emot eller lämnar ifrån sig elektroner. Den konstgjorda muskeln, eller polymeraktuatorn, består av tre lager: ett tunt membran i mitten och ett lager av elektroaktivt polymermaterial på varsin sida om membranet. Konstruktionen har använts inom fältet i många år. Den bygger på att materialet på ena sidan av membranet lämnar ifrån sig elektroner och joner vilket gör att det krymper. Samtidigt blir materialet på andra sidan negativt laddat av att ta emot elektroner och joner, vilket får materialet att expandera. Volymförändringarna får aktuatorn att böjas åt ena hållet, på liknande sätt som en muskel som drar ihop sig.

Tillförseln av elektroner som driver rörelsen i artificiella muskler kommer i vanliga fall från en yttre källa, som ett batteri. I studien drog man i stället nytta av teknologin bakom bioelektroder, som kan omvandla kemisk energi till elektrisk energi med hjälp av enzymer. De har använt enzymer som finns i naturen och integrerat dem i polymermaterialet. Energin som behövs för att driva rörelsen i ”muskeln”, eller polymeraktuatorn, kommer från de biokemiska reaktionerna när enzymerna omvandlar glukos och syre. 

– Enzymerna omvandlar glukos och syre, på samma sätt som i kroppen, och frigör de elektroner som behövs för att driva rörelsen i den konstgjorda muskeln av elektroaktivt polymermaterial. Det behövs ingen spänningskälla, utan det räcker att doppa ner aktuatorn i vatten med glukos i.

Liksom i riktiga muskler sker en direkt omvandling av glukos till rörelse i den konstgjorda muskeln.

Nästa steg är att forskarna vill kunna styra de biokemiska reaktionerna i enzymerna, så att rörelsen också kan gå åt andra hållet och böja tillbaka ”muskeln”.

– Glukos finns i kroppens alla organ och är en kul första start. Man skulle också kunna byta till andra enzymer, så att aktuatorn kan användas till exempelvis självgående mikrorobotar.

Källa:

”Artificial muscles powered by glucose”, Fariba Mashayekhi Mazar, Jose G. Martinez, Manav Tyagi, Mahdi Alijanianzadeh, Anthony P.F. Turner, Edwin W. H. Jager, (2019), Advanced Materials, publicerad online 19 juni 2019