Banerende bæredygtig blød robotteknologi: Biologisk nedbrydelige kunstige muskler til en grønnere fremtid

Et internationalt forskerhold fra Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) i Stuttgart, Tyskland, Johannes Kepler University (JKU) i Linz, Østrig, og University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, har ført bæredygtighed til fronten af blød robotteknologi.

Sammen udviklede de en fuldt biologisk nedbrydelig, højpræstations kunstig muskel lavet af gelatin, olie og bioplaster. Forskerne demonstrerede potentialet for denne innovative teknologi ved at bruge den til at animere en robotisk griber, særligt nyttig for single-use-applikationer som affaldssamling. Disse kunstige muskler kan bortskaffes i kommunale kompostbunker og nedbrydes fuldstændigt inden for seks måneder under overvågede betingelser.

Ellen Rumley, en gæsteforsker fra CU Boulder, der arbejder i Robotic Materials Department på MPI-IS og er medforfatter til artiklen, understreger vigtigheden af bæredygtige materialer i blød robotteknologi:

“Biologisk nedbrydelige dele kan tilbyde en bæredygtig løsning, især for single-use-applikationer, som f.eks. medicinske operationer, redningsmissioner og håndtering af farlige stoffer. I stedet for at samle sig i lossepladser ved produktets livs slutning, kan fremtidens robotter blive kompost til fremtidig plantevækst.”

Udvikling af biologisk nedbrydelige HASEL kunstige muskler

Forskerne skabte en elektrisk drevet kunstig muskel kaldet HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASEL’er er olie fyldte plastikposer delvist dækket af et par elektriske ledere kaldet elektroder. Når en høj spænding anvendes på tværs af elektrodeparret, opbygges modsatrettede ladninger, der genererer en kraft, der skyder olie til en elektrodefri region af posen. Dette olie migration resulterer i, at posen kontraherer, ligesom en rigtig muskel. For HASEL’er at deformere, skal materialerne, der bruges til plastikposen og olien, være elektriske isolatorer, der kan holde til de høje elektriske spændinger, der genereres af de ladede elektroder.

En nøgleudfordring var at udvikle en ledende, blød og fuldt biologisk nedbrydelig elektrode. Forskere på JKU skabte en recept ved at blande en biopolymer gelatin og salte, der kunne castes direkte på HASEL aktuatorer.

David Preninger, medforfatter på dette projekt og forsker på Soft Matter Physics Division på JKU, forklarer:

“Det var vigtigt for os at skabe elektroder, der er egnet til disse højpræstationsapplikationer, men med lettilgængelige komponenter og en tilgængelig fabrikationsstrategi.”

Billede kilde: Max Plank Institute

Elektrisk præstation og biologisk nedbrydelige plastik

Næste hurdle var at identificere passende biologisk nedbrydelige plastik. Ingeniører prioriterer normalt faktorer som nedbrydningshastighed og mekanisk styrke over elektrisk isolation, et krav til HASEL’er, der opererer ved flere tusinde volt. Imidlertid viste visse bioplaster god materialekompatibilitet med gelatinelektroder og tilstrækkelig elektrisk isolation.

En specifik materialekombination tillod HASEL’er at holde 100.000 aktuationer ved flere tusinde volt uden elektrisk fejl eller præstations-tab. Disse biologisk nedbrydelige kunstige muskler er elektromekanisk konkurrencedygtige med deres ikke-biologisk nedbrydelige modparter, hvilket fremmer bæredygtighed i kunstig muskelteknologi.

Ellen Rumley udvider på impacten af deres forskning:

“Ved at vise den fremragende præstation af dette nye materialsystem, giver vi en incitament for robotfællesskabet til at overveje biologisk nedbrydelige materialer som en livskraftig mulighed for at bygge robotter. Det faktum, at vi opnåede så gode resultater med bioplaster, motiverer sandsynligvis også andre materialspecialister til at skabe nye materialer med optimeret elektrisk præstation i mente.”

Fremtidsperspektiver og applikationer

Udviklingen af biologisk nedbrydelige kunstige muskler åbner nye døre for fremtidens robotteknologi. Ved at inkorporere bæredygtige materialer i robotteknologi kan videnskabsmændene reducere den miljømæssige påvirkning af robotter, især i applikationer, hvor single-use-enheder er almindelige. Succesen med denne forskning baner vejen for udforskningen af flere biologisk nedbrydelige komponenter og designet af helt økovenlige robotter.

Potentielle applikationer for biologisk nedbrydelige bløde robotter strækker sig ud over affaldssamling og medicinske operationer. Disse robotter kan bruges til miljøovervågning, landbrug og endda forbruger-elektronik, hvilket reducerer belastningen på lossepladser og bidrager til en cirkulær økonomi.

Som forskningen fortsætter, planlægger holdet at yderligere forfine materialerne og processerne, der bruges til at skabe biologisk nedbrydelige kunstige muskler. Ved at samarbejde med andre eksperter i materialsvidenskab og robotteknologi, sigter de efter at udvikle nye teknologier, der vil fremme feltet for bæredygtig blød robotteknologi fremad. Forskerne håber at opmuntre til adoption af biologisk nedbrydelige materialer i forskellige industrier, hvilket vil fremme en mere økologisk bevidst tilgang til teknologiudvikling.

Det banebrydende arbejde af dette internationale forskerhold repræsenterer et vitalt skridt mod en mere bæredygtig fremtid for blød robotteknologi. Ved at demonstrere livskraften og præstationen af biologisk nedbrydelige kunstige muskler, baner de vejen for yderligere fremskridt i grøn teknologi og inspirerer robotfællesskabet til at overveje bæredygtige alternativer for deres skabninger.