Plastic-innovaties: levende structuren, flexibele robotica en virusdodende folie

Recente ontwikkelingen hebben aangetoond dat plastic van grote waarde kan zijn, vooral in combinatie met elektronische systemen als synaptische transistors, biologische processen en robotica, wat leidt tot opwindende nieuwe en waardevolle toepassingen.
Industries: Algemeen
Trends: 3D Printen
    • De voordelen van kunststof
    • Rekbaar plastic maakt flexibele elektronica en robotica mogelijk
    • Slimme, zelfsteriliserende plasticfolie doodt virussen met UV-licht
    • Elektronische huid geeft robots bijna menselijke tastzin
    • Dit milieuvriendelijke plastic kan zichzelf direct herstellen

Hoewel er geen twijfel bestaat over de emissies die vrijkomen bij de productie van plastic en we weten dat de problemen rond plasticafval letterlijk onoverkomelijk zijn, zijn we het er tegelijkertijd over eens dat kunststof ook talloze voordelen biedt, zoals meer gemak, veelzijdigheid, duurzaamheid en hygiëne. En recente ontwikkelingen hebben aangetoond dat plastic nóg meer van waarde kan zijn in combinatie met elektronische systemen als synaptische transistors, biologische processen en robotica, wat leidt tot opwindende nieuwe en waardevolle toepassingen.

De voordelen van kunststof

Rond 1600 voor Christus verwerkten de oude Meso-Amerikanen voor het eerst natuurlijk rubber tot verschillende voorwerpen en beeldjes. Daarna begonnen we te experimenteren met was, natuurlijke harssoorten en polymeren. In de 19e eeuw werden de moderne thermoplasten ontwikkeld en sindsdien is onze afhankelijkheid van dit materiaal met elk decennium enorm toegenomen. Op dit moment zijn er honderden soorten plastic en rubber in de handel verkrijgbaar die dag in dag uit, bij alles dat we doen – en op talloze manieren – worden gebruikt.

In 2021 had de wereldwijde plasticmarkt een waarde van $593,00 miljard. Tussen 2022 en 2030 zal deze toenemen met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 3,7 procent.

Grand View Research

Bij vrijwel elk aspect van ons dagelijks leven hebben we met plastic te maken. Denk aan schoenen, tassen en kleding, maar ook aan de huishoudelijke apparaten die we gebruiken, de auto’s waar we in rijden, de elektronische apparaten op het werk waar we afhankelijk van zijn, voedselverpakkingen, chirurgische apparatuur… de lijst is eindeloos. Kunststoffen kunnen ook voor mobiliteit en autonomie zorgen. Bijvoorbeeld bij mensen met een beperking. En laten we niet vergeten dat plastic de moderne microchip mogelijk heeft gemaakt. Kun je je een wereld zonder chips voorstellen? In vergelijking met concurrerende materialen is kunststof zeer hulpbronnenefficiënt en heeft het een aanzienlijke sterkte-gewichtsverhouding. Het is zeer slijtvast, heeft een hoge ductiliteit, bio-inertheid, corrosieweerstand, uitstekende thermische en elektrische isolatie en gaat lang mee – en dat voor relatief lage levensduurkosten. Technologische vooruitgang zoals we die de afgelopen eeuw hebben meegemaakt zou niet mogelijk zijn geweest zonder de uitvinding van kunststoffen. Hier zijn enkele cijfers: volgens Grand View Research had de wereldwijde plasticmarkt in 2021 een waarde van $593,00 miljard. Tussen 2022 en 2030 zal deze toenemen met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 3,7 procent.

Enkele indrukwekkende recente innovaties in – en nieuwe toepassingen van – plastic zijn onder meer zeer rekbare en flexibele fundamenten voor zachte robotica, zelfsteriliserende plasticfolie die korte metten maakt met virussen, elektronische huid die druk en zelfs pijn kan ‘voelen’, en milieuvriendelijk plastic dat zichzelf onmiddellijk kan herstellen.

Rekbaar plastic maakt flexibele elektronica en robotica mogelijk

Met behulp van ‘gecontroleerde kristallisatie’ hebben onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin een nieuw soort plastic gemaakt – geïnspireerd door levende organismen – dat op sommige plaatsen zacht en rekbaar is en op andere hard en stijf. Met alleen licht en een katalysator, waarmee je moleculaire eigenschappen als elasticiteit en hardheid kunt veranderen, slaagden de onderzoekers erin een plasticachtig materiaal te creëren dat 10 keer sterker is dan natuurlijk rubber en – in tegenstelling tot andere gemengde materialen – niet breekt of scheurt wanneer het wordt uitgerekt. De onderzoekers begonnen met een klein molecuul dat zich bindt met andere, vergelijkbare moleculen om polymeren te vormen die lijken op de polymeren die in gewone soorten plastic worden gebruikt. Vervolgens voegden ze een katalysator toe, waardoor bij blootstelling aan blauwe LED’s stijver materiaal gevormd werd in de blootgestelde delen van het polymeer. De niet-blootgestelde delen bleven echter zacht en rekbaar.

Zachariah Page, assistent-professor scheikunde en auteur van het onderzoeksartikel, vertelt: “Dit is het eerste materiaal in zijn soort. Het vermogen om kristallisatie, en dus de fysieke eigenschappen van het materiaal, te beheersen met de toepassing van licht, is potentieel transformerend voor draagbare elektronica of actuatoren in zachte robotica”. Het materiaal kan worden gebruikt in robotica om de duurzaamheid en beweging te verbeteren, en ook als een flexibele basis voor elektronica in draagbare technologie of medische apparaten.

Slimme, zelfsteriliserende plasticfolie doodt virussen met UV-licht

Een team van wetenschappers van Queen’s University in Belfast heeft een zelfsteriliserende plasticfolie ontwikkeld die virussen kan doden en voorkomen dat deze zich (in ziekenhuizen en verzorgingstehuizen) verspreiden. De folie bevat titaniumdioxide-nanodeeltjes die met UV-licht en zelfs met licht van fluorescentielampen reageren. Hierdoor komen reactieve zuurstofmoleculen vrij die miljoenen virussen kunnen neutraliseren, inclusief virussen die op oppervlakken en kleding blijven hangen en normaliter moeilijk te doden zijn. Het goedkope en gemakkelijk schaalbare zelfsteriliserende materiaal werd getest op twee soorten griep, een picornavirus en SARS2. Wetenschappers zeggen dat de folie kan worden gebruikt voor beschermende kleding als ziekenhuisschorten, maar ook voor gordijnen, tafelkleden en plastic verpakkingsmateriaal voor de voedselverwerkende sector.

Professor Andrew Mills van de scheikundeafdeling van de universiteit vertelt: “Dit is de eerste keer dat zoiets is ontwikkeld. Deze plasticfolie zou veel van de plastic wegwerpfolie die in de gezondheidszorg wordt gebruikt kunnen vervangen, vooral omdat het zelfsteriliserend is en niet beduidend meer kost. Door rigoureus testen hebben we ontdekt dat het zelfs alleen met kunstlicht effectief is in het doden van virussen. Dit is de eerste keer dat zoiets is ontwikkeld en we hopen dat het de samenleving enorm veel voordelen zal kunnen bieden”.

“In de toekomst zou dit onderzoek de basis kunnen vormen voor een meer geavanceerde elektronische huid waarmee robots de wereld op nieuwe manieren kunnen verkennen, of om prothetische ledematen te ontwikkelen die in staat zijn tot bijna menselijke niveaus van aanraakgevoeligheid.”

Fengyuan Liu, onderzoeker aan de Universiteit van Glasgow

Elektronische huid geeft robots bijna menselijke tastzin 

In Schotland heeft een team van ingenieurs van de Universiteit van Glasgow een elektronische huid (e-skin) ontwikkeld die een nieuw soort verwerkingssysteem bevat op basis van synaptische transistors. De e-skin kan de zenuwbanen in de hersenen nabootsen en leren herkennen waardoor het op externe prikkels als druk kan reageren. Deze doorbraak zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van een nieuw soort intelligente robot met een haast menselijke huidgevoeligheid die getraind kan worden om ‘pijn te voelen’.

Om een ​​elektronische huid te creëren die in staat is tot een synapsachtige reactie, printten de onderzoekers een raster van 168 synaptische transistors gemaakt van zinkoxide nanodraden op een flexibel plastic oppervlak. Door het synaptische transistorrooster met aanraakreceptoren in de palm van een robothand te verbinden, konden de sensoren een verandering in hun elektrische weerstand registreren, waardoor de hand een object ‘voelde’. Zachte aanrakingen veroorzaakten een andere verandering in weerstand dan stevigere aanrakingen. Hierdoor leerde de hand verschillende niveaus van ‘aanrakingsgevoeligheid’ herkennen en kon de manier waarop onze menselijke sensorische neuronen werken nagebootst worden. Het team slaagde er zelfs in om een ​​robothand met de kunsthuid als gevolg van een scherpe steek in de handpalm te laten ‘terugdeinzen’.

Fengyuan Liu, een co-auteur van het onderzoekspaper, vertelt: “In de toekomst zou dit onderzoek de basis kunnen vormen voor een meer geavanceerde elektronische huid waarmee robots de wereld op nieuwe manieren kunnen verkennen, of om prothetische ledematen te ontwikkelen die in staat zijn tot bijna menselijke niveaus van aanraakgevoeligheid.” In de toekomst kunnen prothesen wellicht met ‘menselijke tastzin’ op temperatuurverschillen reageren en ‘pijn voelen’. Met behulp van diverse druk-sensaties kunnen ze misschien zelfs getraind worden om op allerlei verschillende situaties gepast te reageren.

Volgens professor Ravinder Dahiya, leider van het onderzoeksteam, is de technologie gebaseerd op de manier waarop mensen al vroeg leren hoe ze op onverwachte sensaties moeten reageren om toekomstige pijn te voorkomen. Hij vertelt: “Wat we via dit proces hebben kunnen creëren, is een elektronische huid die in staat is tot gedistribueerd leren op hardwareniveau. De huid hoeft daardoor geen berichten heen en weer te sturen naar een centrale processor voordat het actie kan ondernemen. Door de benodigde hoeveelheid rekenwerk te verminderen wordt het proces van reageren op aanraking dus aanmerkelijk korter. Wij zijn van mening dat dit een belangrijke stap is in de richting van het creëren van een grootschalige neuromorfisch geprinte elektronische huid die in staat is om adequaat op prikkels te reageren”.

Dit milieuvriendelijke plastic kan zichzelf direct herstellen

Door gebruik te maken van een techniek die vloeistof-vloeistoffasescheiding (LLPS) wordt genoemd, heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Jianwei Li aan de Universiteit van Turku in Finland onlangs een supramoleculaire kunststof ontwikkeld met de mechanische sterkte van conventionele kunststof. Li legt uit: “Nieuw bewijs laat zien dat LLPS een belangrijk proces kan zijn tijdens de vorming van celcompartimenten. We hebben nu dit op bio- en fysiek geïnspireerde fenomeen ontwikkeld om de grote uitdaging met betrekking tot ons milieu aan te gaan. Ik geloof dat er in de nabije toekomst meer interessante materialen met het LLPS-proces onderzocht zullen worden”.

De supramoleculaire kunststoffen bevatten zeer sterke, niet-covalente en omkeerbare bindingen, waardoor ze veel nuttige eigenschappen hebben. Zo kunnen ze onder andere zelfklevend maar ook zelfherstellend gemaakt worden en allerlei innovatieve toepassingen mogelijk maken. Denk bijvoorbeeld aan zelfreparerende smartphonehoesjes of autolak die krassen automatisch herstelt. Het plastic is afbreekbaar of kan na gebruik eenvoudig worden gerecycled. Onderzoeksauteur Dr. Jingjing Yu vertelt: “Onze nieuwe supramoleculaire kunststoffen zijn vergelijkbaar met conventionele kunststoffen. Ze zijn echter slimmer omdat ze niet alleen de sterke mechanische eigenschappen behouden, maar ook de dynamische en omkeerbare eigenschappen die het materiaal zelfherstellend en herbruikbaar maken”.

Een laatste overweging

Kunststoffen bieden al eeuwenlang veel voordelen op het gebied van veelzijdigheid, gemak en duurzaamheid. En in combinatie met biologische processen, robotica en elektronische systemen kan plastic nog veel waardevoller worden en de kunststofindustrie helpen allerlei hightech en steeds milieuvriendelijker toepassingen mogelijk te maken. Het is ook belangrijk om op te merken dat kunststoffen – en op kunststoffen gebaseerde slimme materialen – ervoor kunnen zorgen dat elke sector ter wereld kan blijven innoveren, evolueren, complexe uitdagingen het hoofd kan bieden en voor allerlei problemen nieuwe oplossingen kan ontwikkelen.

Industries: Algemeen
Trends: 3D Printen
We zitten middenin een technologische revolutie en de trends, technologieën en innovaties die we in 2022 en daarna verwachten zijn stuk voor stuk grensverleg…

Gratis trendservice

Ontvang elke maand gratis de laatste inzichten, onderzoeksmateriaal, e-books, white papers en artikelen van ons onderzoeksteam!