Konstgjorda muskler som drivs av glukos

Rörelserna i våra muskler drivs av energi som frigörs när glukos och syre omvandlas genom biokemiska reaktioner. På liknande sätt kan så kallade aktuatorer (ställdon som styr ett mekaniskt system) tillverkas för att omvandla energi till rörelse, men energin kommer då från andra energikällor, som elektricitet. Forskare vid Linköpings universitet försöker utveckla konstgjorda muskler som fungerar mer som biologiska muskler. Nu har de visat en princip för 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.

Bioelektroder istället för batterier

Tillförseln av elektroner som driver rörelsen i artificiella muskler kommer i vanliga fall från en yttre källa, som ett batteri. Men batterier har flera uppenbara nackdelar; de är ofta tunga och behöver laddas regelbundet. Forskarna bakom studien drog 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.

– 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, säger Edwin Jager, universitetslektor vid Sensor- och aktuatorsystem, institutionen för fysik, kemi, och biologi vid Linköpings universitet, som har lett studien tillsammans med professor emeritus Anthony Turner.

Få muskeln att böja tillbaka

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

– När vi hade integrerat enzymerna på båda sidor av aktuatorn och den faktiskt rörde sig – det var häftigt att se, säger Jose Martinez, en av forskarna.

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”. De har redan demonstrerat att rörelsen är reversibel, men endast genom ett litet trick. Nu vill de göra konceptet ännu mer likt en riktig muskel. Forskarna vill även testa processen i fler olika aktuatorer, som ”textila muskler” och tillämpa det i mikrorobotik.

– 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 för miljömätningar i sjöar. Utvecklingen som vi demonstrerar här gör det möjligt att driva auktuatorer med energi från ämnen som finns naturligt i omgivningen, säger Edwin Jager.

Vetenskaplig artikel:

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

Kontakt:

Edwin Jager, universitetslektor, institutionen för fysik, kemi, och biologi vid Linköpings universitet, edwin.jager@liu.se