Přinášíme udržitelnou měkkou robotiku: Biodegradabilní umělá svalová tkáň pro zelenější budoucnost

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

Společně vyvinuli plně biodegradabilní, vysokovýkonnou umělou svalovou tkáň z gelatiny, oleje a bioplastů. Vědci ukázali potenciál této inovativní technologie tím, že ji použili k animaci robotického gripperu, zejména prospěšného pro jednorázové aplikace, jako je sběr odpadů. Tyto umělé svaly lze odstranit v komunálních kompostech a plně se rozloží do šesti měsíců za kontrolovaných podmínek.

Ellen Rumley, hostující vědec z CU Boulder, pracující v Robotic Materials Department v MPI-IS a spoluautor článku, zdůrazňuje důležitost udržitelných materiálů v měkké robotice:

“Biodegradabilní součásti by mohly 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 biodegradabilních HASEL umělých svalů

Výzkumníci vytvořili elektricky poháněný umělý sval nazvaný HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASEL je olejové plastové pouzdro částečně pokryté párem elektrických vodičů nazývaných elektrody. Když je aplikováno vysoké napětí přes pár elektrod, vytvářejí se opačné náboje, které generují sílu, která tlačí olej do oblasti pouzdra bez elektrod. Tento pohyb oleje způsobuje, že se pouzdro smršťuje, podobně jako skutečný sval. Pro deformaci HASELů musí být materiály použité pro plastové pouzdro a olej elektrickými izolátory schopnými vydržet vysoké elektrické namáhání generované náboji na elektrodách.

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

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

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

Image Source: Max Plank Institute

Elektrické vlastnosti a biodegradabilní plasty

Další překážkou bylo nalezení vhodných biodegradabilních plastů. Inženýři obvykle upřednostňují faktory, jako je rychlost rozkladu a mechanická pevnost, před elektrickou izolací, která je požadavkem pro HASEL, který funguje při několika tisících voltů. Některé bioplasty však prokázaly dobrou kompatibilitu s gelatinovými elektrodami a dostatečnou elektrickou izolací.

Jedna konkrétní kombinace materiálů umožnila HASELům vydržet 100 000 cyklů aktivity při několika tisících voltů bez elektrického selhání nebo ztráty výkonu. Tyto biodegradabilní umělé svaly jsou elektromechanicky konkurenceschopné se svými nebiodegradabilními protějšky, což podporuje udržitelnost v technologii umělých svalů.

Ellen Rumley vysvětluje dopad jejich výzkumu:

“Zobrazením vynikajících výkonů tohoto nového materiálového systému dáváme impuls robotické komunitě, aby zvažovala biodegradabilní materiály jako životaschopnou možnost pro stavbu robotů. Skutečnost, že jsme dosáhli takových skvělých výsledků s bioplasty, by měla také motivovat ostatní materiálové vědce k vývoji nových materiálů s optimalizovaným elektrickým výkonem.”

Budoucí perspektivy a aplikace

Vývoj biodegradabilních 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 připravuje cestu pro zkoumání dalších biodegradabilních komponent a návrh zcela ekologicky šetrných robotů.

Potenciální aplikace pro biodegradabilní měkké roboty sahají za sběr odpadů 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 zdokonalit materiály a procesy používané při vytváření biodegradabilních umělých svalů. Spoluprací s ostatními odborníky z materiálové vědy a robotiky se snaží vyvinout nové technologie, které pohnou pole udržitelné měkké robotiky kupředu. Vědci doufají, že podpoří přijetí biodegradabilních materiálů v různých odvětvích, a tím podpoří více ekologicky uvědomělé přístup k vývoji technologií.

Průlomová práce tohoto mezinárodního výzkumného týmu představuje zásadní krok směrem k udržitelnější budoucnosti měkké robotiky. Demonstrací životaschopnosti a výkonu biodegradabilních umělých svalů připravují cestu pro další pokroky v zelené technologii a inspirují robotickou komunitu, aby zvažovala udržitelné alternativy pro své výtvory.