Ingenieure entwickeln elektronikfreien Roboter, der Wasserzustände überwachen kann

Ein Team von Ingenieuren an der Duke University hat einen neuen elektronikfreien, weichen Roboter entwickelt, der in Zukunft eine große Rolle bei der Überwachung von Umweltbedingungen spielen könnte. Der Roboter hat die Form einer Libelle und kann über Wasser gleiten, während er auf Umweltbedingungen wie pH-Wert, Temperatur und die Anwesenheit von Öl reagiert.

Die neue Proof-of-Principle-Demonstration wurde am 25. März im Journal Advanced Intelligent Systems veröffentlicht.

Weiche Roboter verbessern sich ständig und gewinnen an Bedeutung aufgrund ihrer Vielseitigkeit. Sie sind in der Lage, empfindliche Objekte wie biologische Gewebe zu handhaben und können in engere Räume eindringen als andere starre Roboter.

Shyni Varghee, die Urheberin der Idee, ist Professorin für Biomedizinische Technik, Maschinenbau und Materialwissenschaft sowie Orthopädische Chirurgie an der Duke University.

Vardham Kumas ist ein PhD-Student in Varghees Labor und Erstautor des Papiers.

„Ich bekam eine E-Mail von Shyni vom Flughafen, in der sie eine Idee für einen weichen Roboter hatte, der ein selbstheilendes Hydrogel verwendet, das ihre Gruppe in der Vergangenheit entwickelt hatte, um autonom zu reagieren und sich zu bewegen“, sagte Kumar. „Aber das war das Ende der E-Mail, und ich hörte nichts mehr von ihr für Tage. Also lag die Idee sozusagen in der Luft, bis ich genug Freizeit hatte, um sie zu verfolgen, und Shyni sagte, ich solle loslegen.“

Selbstheilendes Hydrogel

Im Jahr 2012 entwickelte Varghees Labor ein selbstheilendes Hydrogel, das in der Lage war, auf pH-Änderungen in nur wenigen Sekunden zu reagieren. Eine Änderung der Säurekonzentration verursacht die Bildung neuer Bindungen im Hydrogel, und dies kann rückgängig gemacht werden, wenn der pH-Wert wieder auf das ursprüngliche Niveau zurückkehrt.

Ein Teil von Varghees neuer Idee bestand darin, das Hydrogel auf einem weichen Roboter zu verwenden, um es in die Lage zu versetzen, über Wasser zu gleiten und pH-Änderungen an verschiedenen Orten zu erkennen. Sie suchte nach einer Möglichkeit, ein solches Robotersystem zu entwickeln, das wie ein autonomer Umweltsensor funktioniert.

Zusammen mit Ung Hyun Ko, einem Postdoktoranden in Varghees Labor, entwarf Kumar einen weichen Roboter in Form einer Fliege. Nach verschiedenen Versuchen entschied sich das Team für die Form einer Libelle und konstruierte sie mit einem Netzwerk von internen Mikrokanälen, das es ermöglichte, den Roboter durch Luftdruck zu steuern.

Der Körper des weichen Roboters ist etwa 5,7 Zentimeter lang, und seine Flügelspannweite beträgt 3,6 Zentimeter. Er wurde durch das Einlassen von Silikon in eine Aluminiumform und das Backen des Silikons hergestellt. Weiche Lithographie wurde verwendet, um interne Kanäle zu erstellen, die mit Silikontuben verbunden waren.

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DraBot

Der resultierende weiche Roboter wurde DraBot genannt.

“Es war schwierig, DraBot so zu konstruieren, dass er auf Luftdrucksteuerung über lange Distanzen mit nur Selbstaktoren und ohne Elektronik reagiert”, sagte Ko. “Das war definitiv der schwierigste Teil.”

DraBot steuert den Luftdruck, der in seine Flügel eintritt, und Mikrokanäle leiten den Luftdruck in die vorderen Flügel. Er entweicht dann durch Löcher, die direkt in die hinteren Flügel zeigen. DraBot bewegt sich nicht, wenn der Luftfluss durch beide hinteren Flügel blockiert wird, die nach unten zeigen. Wenn jedoch beide Flügel nach oben zeigen, bewegt er sich vorwärts.

Das Team entwickelte auch Ballonaktoren, um eine bessere Steuerung zu ermöglichen, und diese befinden sich unter jedem der hinteren Flügel nahe dem Körper des Roboters. Wenn diese aufgeblasen werden, krümmt sich der Flügel nach oben, und die Forscher können den Roboter steuern, indem sie ändern, welche Flügel nach oben oder unten zeigen.

“Wir waren froh, als wir DraBot steuern konnten, aber es basiert auf lebenden Dingen”, sagte Kumar. “Und lebende Dinge bewegen sich nicht einfach auf eigene Faust, sie reagieren auf ihre Umgebung.”

Das Team nutzte das selbstheilende Hydrogel, indem es einen Satz von Winden damit bestrich, was DraBot empfindlich auf Änderungen des pH-Werts des Wassers machte. Wenn es zu sauer ist, verbindet sich die vordere Flügel mit der hinteren Flügel, was den Roboter dazu bringt, im Kreis zu drehen, anstatt geradeaus zu fahren. Wenn der pH-Wert wieder auf ein normales Niveau zurückkehrt, kehrt das Hydrogel zurück und die Flügel trennen sich wieder, was es dem Roboter ermöglicht, wieder vollständig auf Befehle zu reagieren.

Die Forscher fügten auch temperaturresponsive Materialien hinzu, die es DraBot ermöglichen, über Wasser zu gleiten und Öl mit Schwämmen aufzunehmen. Die Farbe der Schwämme ändert sich je nach Farbe des Öls, und wenn das Wasser zu warm ist, ändern sich auch die Flügel des Roboters.

Die neuen Entwicklungen könnten helfen, Umweltprobleme in der Zukunft zu bekämpfen. Zum Beispiel könnte ein solcher Roboter die Versauerung von Süßwasser erkennen, die verschiedene geologisch empfindliche Regionen betrifft. Er könnte auch helfen, Ölverschmutzungen frühzeitig zu erkennen oder frühe Anzeichen von Rotwasser und Korallenbleichen.