Ingeniører udvikler elektronikfri robot, der kan overvåge vandforhold

Et hold ingeniører fra Duke University har udviklet en ny elektronikfri, blød robot, der kan spille en stor rolle i overvågning af miljøforhold i fremtiden. Robotten er formet som en libel, og den kan glide over vandet, mens den reagerer på miljøforhold som pH, temperatur og tilstedeværelse af olie.

Den nye principdemonstration blev detaljeret i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems den 25. marts.

Bløde robotter fortsætter med at udvikle sig og forbedre sig, og de er vokset i betydning takket være deres fleksibilitet. De er i stand til at håndtere ømfølsomme objekter som biologiske væv, og de kan passe ind i smallere rum end andre stive robotter.

Shyni Varghee, som står bag idéen, er professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab, maskiningeniørvidenskab og materialvidenskab samt ortopædkirurgi ved Duke.

Vardham Kumas er en ph.d.-studerende i Varghese’s laboratorium og første forfatter af artiklen.

“Jeg fik en email fra Shyni fra lufthavnen, hvor hun havde en idé til en blød robot, der bruger en selvhelende hydrogel, som hendes gruppe havde opfundet tidligere, til at reagere og bevæge sig autonomt,” sagde Kumar. “Men det var alt, der stod i emailen, og jeg hørte ikke fra hende igen i dagevis. Så idéen lå lidt i limbo, indtil jeg havde nok fri tid til at forfølge den, og Shyni sagde, at jeg skulle gå videre med den.”

Selvhelende Hydrogel

Tilbage i 2012 udviklede Varghese’s laboratorium en selvhelende hydrogel, der kan reagere på ændringer i pH på få sekunder. En ændring i surhedsgraden får nye bindinger til at danne sig på hydrogelen, og dette kan omvendes, når pH-værdien vender tilbage til det oprindelige niveau.

En del af Varghese’s nye idé var at bruge hydrogelen på en blød robot, så den kan bevæge sig over vandet og registrere ændringer i pH-værdien på forskellige steder. Hun ledte efter en måde at få laboratoriet til at udvikle denne type robot, der kan fungere som en autonom miljøsensor.

Sammen med Ung Hyun Ko, en postdoc i Varghese’s laboratorium, designede Kumar en blød robot baseret på en flue. Efter flere forsøg besluttede holdet at gå med formen som en libel, og den blev konstrueret med et netværk af indre mikrokanaler, der gjorde det muligt at styre den med lufttryk.

Robottens krop er cirka 5,7 cm lang, og dens vingespænd er 3,6 cm. Den blev skabt ved at hælde silikone i en aluminiumform og bage den. Blød litografi blev brugt til at skabe indre kanaler, der var forbundet med silikone-rør.

https://www.youtube.com/watch?v=bTjZQMvagJ8&t=2s

DraBot

Den resulterende bløde robot blev kaldt DraBot.

“At få DraBot til at reagere på lufttrykskontrol over lange afstande uden elektronik var svært,” sagde Ko. “Det var bestemt den mest udfordrende del.”

DraBot kontrollerer lufttrykket, der kommer ind i dens vinger, og mikrokanalerne fører luften ind i forvingerne. Den undslipper derefter gennem huller, der peger direkte ind i bagvingerne. DraBot vil ikke bevæge sig, hvis luftstrømmen blokeres af begge bagvinger, der er nede. Men hvis begge vinger er oppe, bevæger den sig fremad.

Holdet udviklede også ballon-aktuatorer for at give mere kontrol og placerede dem under hver af bagvingerne nær robottens krop. Når disse bliver oppustet, buer vingen opad, og forskerne kan kontrollere, hvor robotten skal gå, ved at ændre, hvilke vinger der er oppe eller nede.

“Vi var glade, da vi kunne kontrollere DraBot, men det er baseret på levende ting,” sagde Kumar. “Og levende ting bevæger sig ikke bare rundt på egen hånd, de reagerer på deres omgivelser.”

Holdet brugte den selvhelende hydrogel ved at male en sæt vinger med den, hvilket gjorde DraBot responsiv over for ændringer i vandets pH-værdi. Hvis det er for surt, smelter den ene sides forvinge sammen med bagvingen, og robotten drejer i en cirkel i stedet for lige frem. Når pH-værdien vender tilbage til et normalt niveau, omvendes hydrogenet, og vingerne adskiller sig igen, så DraBot kan blive fuldt responsiv på kommandoer.

Forskerne tilføjede også temperatursensitive materialer, der giver DraBot mulighed for at glide over vandet og opsuge olie med svamp. Farven på svampene ændrer sig afhængigt af oliens farve, og når vandet er for varmt, ændrer robottens vinger også farve.

De nye udviklinger kan hjælpe med at bekæmpe miljøproblemer i fremtiden. For eksempel kunne en sådan robot registrere ferskvands-syrening, der påvirker forskellige geologisk følsomme områder. Den kunne også hjælpe med at registrere olieudslip tidligt eller registrere tidlige tegn på rød tide og koralskald.