رائدة الروبوتات الناعمة المستدامة: عضلات اصطناعية قابلة للتحلل البيولوجي من أجل مستقبل أخضر

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) ، بولدر، الولايات المتحدة، قد جلبوا الاستدامة إلى طليعة الروبوتات الناعمة.

معًا، طوروا عضلة اصطناعية قابلة للتحلل البيولوجي وأداء عالي مصنوعة من الجيلاتين والزيت والبلاستيك البيولوجي. وأظهر العلماء إمكانيات هذه التكنولوجيا المبتكرة من خلال استخدامها لتحريك مشبك روبوتي، خاصةً للتطبيقات المنفردة مثل جمع النفايات. يمكن التخلص من هذه العضلات الاصطناعية في صناديق التخزين البيولوجي وتتحلل تمامًا في غضون ستة أشهر في ظل ظروف مراقبة.

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

“يمكن أن تقدم الأجزاء القابلة للتحلل البيولوجي حلاً مستدامًا خاصةً للتطبيقات المنفردة، مثل العمليات الطبية والبعثات البحثية والإنقاذ وتحريك المواد الخطرة. بدلاً من التراكم في مدافن النفايات في نهاية عمر المنتج، يمكن أن تصبح روبوتات المستقبل سمادًا لنمو النباتات في المستقبل.”

تطوير عضلات HASEL الاصطناعية القابلة للتحلل البيولوجي

created عضلة اصطناعية محركة كهربائيًا تسمى HASEL (المشغلات الكهروستاتيكية ذاتية التعافي المضخاة هيدروليكيًا). HASELs هي كيسات بلاستيكية محشوة بالزيت ومغطاة جزئيًا بزوج من الموصلات الكهربائية تسمى أقطاب. عندما يتم تطبيق جهد كهربائي عالٍ عبر زوج الأقطاب، تتراكم الشحنات المعاكسة، مما يولد قوة تدفع الزيت إلى منطقة خالية من الأقطاب في الكيس. يؤدي هذا التحرك النفطي إلى انقباض الكيس، مشابهًا لعضلة حقيقية. من أجل أن تتغير HASELs، يجب أن تكون المواد المستخدمة للكيس البلاستيكي والزيت معزولة كهربائيًا وقادرة على تحمل الإجهادات الكهربائية العالية الناتجة عن الأقطاب المشحونة.

كان تحديًا رئيسيًا هو تطوير قطب قابل للتحلل البيولوجي ومرن وconducting. قام الباحثون في JKU بإنشاء وصفة باستخدام مزيج من البوليمر الجيلاتيني والأملاح التي يمكن صبها مباشرة على مشغلات HASEL.

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

“كان من المهم لنا制造 أقطاب مناسبة لهذه التطبيقات عالية الأداء، ولكن مع مكونات متاحة بسهولة وстратегية تصنيع قابلة للوصول.”

مصدر الصورة: معهد ماكس بلانك

الأداء الكهربائي والبلاستيك القابل للتحلل البيولوجي

كان العائق التالي هو تحديد البلاستيك القابل للتحلل البيولوجي المناسب. عادةً ما يprioritize المهندسون عوامل مثل معدل التحلل و القوة الميكانيكية على العزل الكهربائي، وهو متطلب ل HASELs التي تعمل عند آلاف الفولت. ومع ذلك، أظهرت بعض البلاستيك البيولوجية توافقًا جيدًا مع أقطاب الجيلاتين و عزل كهربائي كافٍ.

سمح أحد تركيبات المواد ب HASELs لتحمل 100,000 دورة تشغيل عند آلاف الفولت دون فشل كهربائي أو فقدان في الأداء. هذه العضلات الاصطناعية القابلة للتحلل البيولوجي هي منافسة كهروميكانيكية مع نظرائها غير القابلة للتحلل البيولوجي، مما يعزز الاستدامة في تكنولوجيا العضلات الاصطناعية.

تشرح إيلين راملي تأثير بحثهم:

“من خلال إظهار الأداء الممتاز لهذا النظام الجديد للمواد، نحن نقدم حافزًا للمجتمع الروبوتي للاعتبار المواد القابلة للتحلل البيولوجي كخيار مواد قابل للتطبيق لبناء الروبوتات. حقيقة أننا حققنا مثل هذه النتائج الرائعة مع البلاستيك البيولوجي قد تحفز أيضًا علماء المواد الآخرين لإنشاء مواد جديدة مع أداء كهربائي محسّن.”

الآفاق والموضوعات المستقبلية

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

تتجاوز التطبيقات المحتملة للروبوتات الناعمة القابلة للتحلل البيولوجي جمع النفايات والعمليات الطبية. يمكن استخدام هذه الروبوتات في رصد البيئة والزراعة وحتى الإلكترونيات الاستهلاكية، مما يقلل من العبء على مدافن النفايات والمساهمة في اقتصاد دائري.

مع استمرار البحث، يخطط الفريق لتحسين المواد والعمليات المستخدمة في إنشاء العضلات الاصطناعية القابلة للتحلل البيولوجي. من خلال التعاون مع خبراء آخرين في علوم المواد والروبوتات، يهدفون إلى تطوير تكنولوجيا جديدة ستدفع مجال الروبوتات الناعمة المستدامة إلى الأمام. يأمل الباحثون في تشجيع اعتماد المواد القابلة للتحلل البيولوجي في مختلف الصناعات، مما يؤدي إلى نهج أكثر إكولوجية في تطوير التكنولوجيا.

يعتبر عمل الفريق البحثي الدولي هذا خطوة حيوية نحو مستقبل أكثر استدامة للروبوتات الناعمة. من خلال إظهار جدوى وأداء العضلات الاصطناعية القابلة للتحلل البيولوجي، يفتحون الطريق أمام المزيد من التقدم في التكنولوجيا الخضراء ويحفزون مجتمع الروبوتات على النظر في بدائل مستدامة لمخترعاتهم.