Průkopnická udržitelná softwarová robotika: biologicky odbouratelné umělá svaly pro zelenější budoucnost

Mezinárodní tým výzkumníků z Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) ve Stuttgartu, Německo, Johannes Kepler University (JKU) v Linci, Rakousko, a University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, přinesl udržitelnost do popředí softwarové robotiky.

Společně vyvinuli plně biologicky odbouratelnou, vysoce výkonnou umělou svalovou hmotu z gelatiny, oleje a bioplastů. Vědci demonstrovali potenciál této inovativní technologie použitím ji k animaci robotického gripperu, zejména prospěšného pro jednorázové aplikace, jako je sběr odpadků. Tyto umělá svalová hmota mohou být likvidovány v komunálních kompostech a plně se rozloží do šesti měsíců za kontrolovaných podmínek.

Ellen Rumley, hostující vědkyně z CU Boulder, pracující v Robotic Materials Department v MPI-IS a spoluautorka článku, zdůrazňuje důležitost udržitelných materiálů v softwarové robotice:

“Biologicky odbouratelné součásti mohou nabídnout udržitelné řešení, zejména pro jednorázové aplikace, jako jsou lékařské operace, záchranné mise a manipulace s nebezpečnými látkami. Místo toho, aby se nahromadily na skládkách na konci životnosti produktu, roboti budoucnosti by mohli být kompostem pro budoucí růst rostlin.”

Vývoj biologicky odbouratelných HASEL umělých svalů

Výzkumníci vytvořili elektricky poháněnou umělou svalovou hmotu nazvanou HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASEL jsou olejové plastové sáčky částečně pokryté párem elektrických vodičů zvaných elektrody. Když je aplikováno vysoké napětí přes pár elektrod, vznikají opačné náboje, které generují sílu, která tlačí olej do oblasti sáčku bez elektrod. Tento pohyb oleje vede k tomu, že sáček se smršťuje, podobně jako skutečná svalová hmota. Aby HASEL mohly deformovat, materiály použité pro plastový sáček a olej musí být elektrickými izolanty schopnými vydržet vysoké elektrické napětí generované náboji elektrod.

Klíčovou výzvou bylo vyvinout vodivou, měkkou a plně biologicky odbouratelnou elektrodu. Výzkumníci z JKU vytvořili recepturu pomocí směsi biopolymeru gelatiny a solí, která mohla být přímo odlita na HASEL akčníky.

David Preninger, spoluautor tohoto projektu a vědec v Soft Matter Physics Division v JKU, vysvětluje:

“Pro nás bylo důležité vytvořit elektrody vhodné pro tyto vysoce výkonné aplikace, ale s dostupnými komponenty a dostupnou strategií výroby.”

Image Source: Max Plank Institute

Elektrické vlastnosti a biologicky odbouratelné plasty

Další překážkou bylo identifikovat vhodné biologicky odbouratelné plasty. Inženýři obvykle upřednostňují faktory, jako je rychlost rozkladu a mechanická pevnost, před elektrickou izolací, požadavkem pro HASEL, které fungují při několika tisících voltů. Některé bioplasty však prokázaly dobrou kompatibilitu s gelatinovými elektrodami a dostatečnou elektrickou izolací.

Konkrétní kombinace materiálů umožnila HASEL vydržet 100 000 aktivačních cyklů při několika tisících voltů bez elektrického selhání nebo ztráty výkonu. Tyto biologicky odbouratelné umělá svalová hmota jsou elektromechanicky konkurenceschopné se svými nebiologicky odbouratelnými protějšky, což podporuje udržitelnost v technologii umělých svalů.

Ellen Rumley vysvětluje dopad jejich výzkumu:

“Zobrazováním vynikajícího výkonu tohoto nového materiálového systému dáváme pobídku komunitě robotiky, aby považovala biologicky odbouratelné materiály za životaschopnou možnost pro stavbu robotů. Skutečnost, že jsme dosáhli takových skvělých výsledků s bioplasty, doufáme, že také motivuje další materiálové vědce k vývoji nových materiálů s optimalizovaným elektrickým výkonem.”

Budoucí perspektivy a aplikace

Vývoj biologicky odbouratelných umělých svalů otevírá nové dveře pro budoucnost robotiky. Integrací udržitelných materiálů do robotické technologie mohou vědci snížit environmentální dopad robotů, zejména v aplikacích, kde jsou převládající jednorázové zařízení. Úspěch tohoto výzkumu vytváří cestu pro zkoumání dalších biologicky odbouratelných komponent a návrh zcela ekologicky šetrných robotů.

Potenciální aplikace pro biologicky odbouratelné softwarové roboty sahají za sběr odpadků a lékařské operace. Tyto roboty by mohly být použity v environmentálním monitoringu, zemědělství a dokonce i v spotřební elektronice, snižují tak zátěž na skládky a přispívají k cirkulární ekonomice.

Jak výzkum pokračuje, tým plánuje dále rafinovat materiály a procesy používané při vytváření biologicky odbouratelných umělých svalů. Spoluprací s dalšími odborníky v materiálové vědě a robotice se snaží vyvinout nové technologie, které budou pohánět pole udržitelné softwarové robotiky vpřed. Vědci doufají, že budou moci povzbudit přijetí biologicky odbouratelných materiálů v různých odvětvích, a tím podpořit ekologicky uvědoměléjší přístup k technologickému vývoji.

Průkopnická práce tohoto mezinárodního výzkumného týmu představuje zásadní krok směrem k udržitelnější budoucnosti pro softwarovou robotiku. Demonstrací životaschopnosti a výkonu biologicky odbouratelných umělých svalů vytvářejí cestu pro další pokroky v zelené technologii a inspirují komunitu robotiky, aby zvažovala udržitelné alternativy pro své výtvory.