Banebrydende bæredygtig blød robotteknologi: Biologisk nedbrydelige kunstige muskler for en grønnere fremtid

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

Sammen har de udviklet en fuldt biologisk nedbrydelig, højtydende 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-brugsapplikationer som affaldssamling. Disse kunstige muskler kan bortskaffes i kommunale kompostbunker og fuldt ud biologisk nedbrydes inden for seks måneder under overvågede betingelser.

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

“Biologisk nedbrydelige dele kunne tilbyde en bæredygtig løsning, især for single-brugsapplikationer, som for medicinske operationer, redningsmissioner og håndtering af farlige stoffer. I stedet for at akkumulere på lossepladser ved produktets livs slutning, kunne fremtidens robotter blive kompost for 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 modsat ladede partikler, som 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 brugt til plastikposen og olie være elektriske isolatorer i stand til at holde til de høje elektriske spændinger genereret 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 biopolymer gelatin og salte, som kunne castes direkte på HASEL aktuatorer.

David Preninger, co-første forfatter for dette projekt og en forsker på Soft Matter Physics Division på JKU, forklarer:

“Det var vigtigt for os at lave elektroder, der var egnet til disse højtydende applikationer, men med let tilgængelige komponenter og en tilgængelig fabrikationsstrategi.”

Image Source: Max Plank Institute

Elektrisk præstation og biologisk nedbrydelige plastik

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

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

Ellen Rumley uddyber omværdi af deres forskning:

“Ved at vise den fremragende præstation af dette nye materialsystem, giver vi en incitament for robotikfællesskabet til at overveje biologisk nedbrydelige materialer som en livskraftig materialevalgmulighed til at bygge robotter. Det faktum, at vi opnåede så gode resultater med bioplaster, motiverer sandsynligvis også andre materialforskere 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-brugsenheder er fremherskende. 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 kunne bruges til miljøovervågning, landbrug og sogar forbruger-elektronik, reducerer belastningen på lossepladser og bidrager til en cirkulær økonomi.

Da forskningen fortsætter, planlægger holdet at yderligere forfine materialerne og processerne brugt til at skabe biologisk nedbrydelige kunstige muskler. Ved at samarbejde med andre eksperter i materialvidenskab og robotteknologi, sigter de mod 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, og dermed fremme en mere økologisk bevidst tilgang til teknologiudvikling.

Det banebrydende arbejde af dette internationale forskerhold repræsenterer et afgørende 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 robotikfællesskabet til at overveje bæredygtige alternativer for deres skabninger.