رائدة الروبوتات الناعمة المستدامة: عضلات اصطناعية مهدرة للغاية من أجل مستقبل أخضر

قام فريق دولي من الباحثين من معهد ماكس بلانك للنظم الذكية (MPI-IS) في شتوتغارت، ألمانيا، وجامعة يوهانس كيبلر (JKU) في لينز، النمسا، وجامعة كولورادو (CU Boulder) في بولدر، الولايات المتحدة، بإحضار الاستدامة إلى طليعة الروبوتات الناعمة.

معًا، طوروا عضلة اصطناعية مهدرة للغاية وأداء عالي مصنوعة من الجيلاتين والنفط والبلاستيك البيولوجي. وأظهر العلماء الإمكانات هذه التكنولوجيا المبتكرة من خلال استخدامها لتحريك مشبك روبوتي، وخاصة المفيد لتطبيقات الاستخدام الفردي مثل جمع النفايات. يمكن التخلص من هذه العضلات الاصطناعية في صناديق التخزين الحضري وتهدر تمامًا في غضون ستة أشهر في ظل ظروف مراقبة.

تؤكد إلين راملي، عالمة زائرة من CU Boulder تعمل في قسم المواد الروبوتية في MPI-IS وشاركت في تأليف الورقة، على أهمية المواد المستدامة في الروبوتات الناعمة:

“يمكن أن تقدم الأجزاء المهدرة حلًا مستدامًا خاصة للتطبيقات التي تستخدم مرة واحدة، مثل العمليات الجراحية وعمليات البحث والإنقاذ وتحريك المواد الخطرة. بدلاً من تراكمها في مدافن النفايات في نهاية عمر المنتج، يمكن أن تصبح روبوتات المستقبل سمادًا لنمو النباتات في المستقبل.”

تطوير عضلات HASEL الاصطناعية المهدرة

أنشأ الباحثون عضلة اصطناعية محركة كهربائيًا تسمى HASEL (المشغلات الكهروستاتيكية الذاتية التعافي المحفزة هيدروليكيًا). تعتبر HASELs كيسات بلاستيكية محشوة بالنفط وتغطيها جزئيًا زوج من الموصلات الكهربائية تسمى أقطاب. عندما يتم تطبيق جهد كهربائي عالٍ عبر زوج القطب، تتراكم الشحنات المتضادة، مما يولد قوة تدفع النفط إلى منطقة خالية من الأقطاب في الكيس. يؤدي هذا النفط إلى انكماش الكيس، مشابهًا لعضلة حقيقية. من أجل أن تشوه HASELs، يجب أن تكون المواد المستخدمة للكيس البلاستيكي والنفط معزولة كهربائيًا وقادرة على تحمل الإجهادات الكهربائية العالية الناتجة عن الأقطاب المشحونة.

كان أحد التحديات الرئيسية هو تطوير قطب كهربائي قابل للتشوه ومهدر ومكون من مواد لينة. قام الباحثون في JKU بإنشاء وصفة باستخدام مزيج من الجيلاتين البيولوجي والأملاح التي يمكن صبها مباشرة على مشغلات HASEL.

يشرح ديفيد برينينجر، شارك في تأليف هذا المشروع وعالم في قسم فيزياء المادة اللينة في JKU:

“كان من المهم لنا إنشاء أقطاب مناسبة لهذه التطبيقات عالية الأداء، ولكن مع مكونات متاحة بسهولة و استراتيجية تصنيع متاحة.”

مصدر الصورة: معهد ماكس بلانك

الأداء الكهربائي والبلاستيك البيولوجي

كان العائق التالي هو تحديد البلاستيك البيولوجي المناسب. عادة ما يفضل المهندسون عوامل مثل معدل التحلل والقوة الميكانيكية على العزل الكهربائي، وهو شرط ل HASELs التي تعمل عند آلاف الجهد. ومع ذلك، أظهرت بعض البلاستيك البيولوجية توافقًا جيدًا مع أقطاب الجيلاتين وعزل كهربائي كافٍ.

سمح أحد التركيبات المحددة ل HASELs بالتحمل 100,000 دورة تشغيل عند آلاف الجهد دون فشل كهربائي أو فقدان الأداء. تعتبر هذه العضلات الاصطناعية المهدرة منافسة كهروميكانيكية مع نظيراتها غير المهدرة، مما يعزز الاستدامة في تكنولوجيا العضلات الاصطناعية.

يوضح إلين راملي تأثير بحثهم:

“من خلال إظهار الأداء المتميز لهذا النظام الجديد للمواد، نحن نعطي حافزًا لمجتمع الروبوتات للاعتبار المواد المهدرة خيارًا قابلاً للتطبيق لمباني الروبوتات. حقيقة أننا حققنا نتائج رائعة مع البلاستيك البيولوجي يأمل أن يحفز أيضًا علماء المواد الآخرين لإنشاء مواد جديدة بأداء كهربائي محسّن.”

التوقعات والمواقف المستقبلية

يفتح تطوير العضلات الاصطناعية المهدرة أبوابًا جديدة لمستقبل الروبوتات. من خلال دمج المواد المستدامة في تكنولوجيا الروبوتات، يمكن للعلماء تقليل التأثير البيئي للروبوتات، خاصة في التطبيقات التي تنتشر فيها الأجهزة المستخدمة مرة واحدة. يفتح نجاح هذا البحث الطريق لاستكشاف المزيد من المكونات المهدرة وتصميم روبوتات صديقة للبيئة بالكامل.

تتجاوز التطبيقات المحتملة للروبوتات الناعمة المهدرة جمع النفايات والعمليات الجراحية. يمكن استخدام هذه الروبوتات في رصد البيئة والزراعة والالكترونيات الاستهلاكية، مما يقلل من العبء على مدافن النفايات والمساهمة في اقتصاد دائري.

كما يستمر البحث، يخطط الفريق لتحسين المواد والعمليات المستخدمة في إنشاء العضلات الاصطناعية المهدرة. من خلال التعاون مع خبراء آخرين في علوم المواد والروبوتات، يهدفون إلى تطوير تقنيات جديدة ستدفع مجال الروبوتات الناعمة المستدامة إلى الأمام. يأمل الباحثون في تشجيع اعتماد المواد المهدرة في مختلف الصناعات، مما يؤدي إلى نهج أكثر إدراكًا بيئيًا لتطوير التكنولوجيا.

يعتبر عمل الفريق البحثي الدولي هذا خطوة حيوية نحو مستقبل أكثر استدامة للروبوتات الناعمة. من خلال إثبات جدوى وأداء العضلات الاصطناعية المهدرة، يفتحون الطريق لمزيد من التقدم في تكنولوجيا الخضراء ويحفزون مجتمع الروبوتات على النظر في بدائل مستدامة لخلقهم.