Συνθετικό υλικό επιτρέπει στα μαλακά ρομπότ να μεγαλώνουν όπως τα φυτά

Μια ομάδα επιστημόνων και μηχανικών στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα έχει αναπτύξει μια διαδικασία εξώθησης που εμπνέεται από τα φυτά, η οποία επιτρέπει την ανάπτυξη συνθετικού υλικού, γεγονός που θα μπορούσε να επιτρέψει στα μαλακά ρομπότ να μεγαλώνουν όπως τα φυτά. Η μέθοδος είναι καινοτόμος και νέα, και τα ρομπότ που προκύπτουν θα μπορούσαν να πλοηγηθούν σε στενά σημεία, περίπλοκο έδαφος και ακόμη και σε περιοχές μέσα στο ανθρώπινο σώμα.

Η έρευνα, η οποία χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, δημοσιεύθηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Ρομπότ που “Μεγαλώνουν” Καθώς Κινούνται

Ο Chris Ellison είναι ένας από τους κύριους συγγραφείς του εγγράφου και καθηγητής στο Τμήμα Χημικής Μηχανικής και Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου της Μινεσότα Twin Cities.

«Αυτή είναι η πρώτη φορά που αυτές οι έννοιες έχουν αποδειχθεί θεμελιωδώς», είπε ο Ellison. «Η ανάπτυξη νέων μεθόδων κατασκευής είναι απαραίτητη για την ανταγωνιστικότητα της χώρας μας και για την εισαγωγή νέων προϊόντων στους ανθρώπους. Από την πλευρά των ρομπότ, τα ρομπότ χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε επικίνδυνα, απομακρυσμένα περιβάλλοντα, και αυτές είναι οι περιοχές όπου αυτό το έργο θα μπορούσε να έχει επίδραση».

Τα μαλακά ρομπότ είναι ρομπότ που κατασκευάζονται από μαλακά και εύκαμπτα υλικά αντί για σκληρά υλικά, και αυτού του είδους τα μαλακά ρομπότ που μεγαλώνουν μπορούν να παράγουν νέο υλικό και να “μεγαλώνουν” καθώς κινούνται. Θα μπορούσαν να εφαρμοστούν σε μια ποικιλία εφαρμογών και είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για την πλοήγηση σε απομακρυσμένες περιοχές που οι άνθρωποι δεν μπορούν να προσεγγίσουν. Πρακτικές εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν επιθεωρήσεις ή εγκατάσταση υπόγειων σωλήνων ή πλοήγηση μέσα στο ανθρώπινο σώμα.

Τα μαλακά ρομπότ που έχουμε τώρα αφήνουν πίσω τους ένα ίχνος από στερεό υλικό, και χρησιμοποιούν θερμότητα και/ή πίεση για να μετατρέψουν το υλικό σε μια πιο μόνιμη δομή. Οι ερευνητές συγκρίνουν αυτό με έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή, ο οποίος τροφοδοτείται με στερεό νήμα για να παράγει ένα διαμορφωμένο προϊόν. Παρά τούτο, το μαλακό υλικό γίνεται δύσχρηστο όταν το ρομπότ πρέπει να στρίψει, που σημαίνει ότι είναι δύσκολο για τα ρομπότ να πλοηγηθούν σε ορισμένα εμπόδια.

Ανάπτυξη Νέων Μέσων Εξώθησης

Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, η ομάδα ανέπτυξε μια νέα μέθοδο εξώθησης. Η νέα διαδικασία περιλαμβάνει υλικό που ωθείται μέσα από ένα άνοιγμα για να δημιουργηθεί một συγκεκριμένος σχήμα, και επιτρέπει στο ρομπότ να δημιουργήσει το συνθετικό του υλικό από υγρά αντί για στερεά.

Ο Matthew Hausladen είναι ο πρώτος συγγραφέας του εγγράφου και φοιτητής διδακτορικού στο Τμήμα Χημικής Μηχανικής και Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου της Μινεσότα Twin Cities.

«Ήμασταν πραγματικά εμπνευσμένοι από το πώς τα φυτά και οι μύκητες μεγαλώνουν», είπε ο Hausladen. «Πήραμε την ιδέα ότι τα φυτά και οι μύκητες προσθέτουν υλικό στο τέλος των σωμάτων τους, είτε στα άκρα των ριζών τους είτε στα νέα βλαστάρια τους, και τη μεταφράσαμε σε ένα μηχανικό σύστημα».

Οι ερευνητές ήθελαν να μιμηθούν τη διαδικασία των φυτών που χρησιμοποιούν νερό για να μεταφέρουν τα δομικά στοιχεία που μετατρέπονται σε στερεές ρίζες καθώς το φυτό μεγαλώνει εξωτερικά. Για να επιτύχουν αυτό με συνθετικό υλικό, η ομάδα βασίστηκε σε μια τεχνική που ονομάζεται φωτοπολυμερισμός, η οποία χρησιμοποιεί φως για να μετατρέψει υγρά μονομερή σε στερεό υλικό. Το μαλακό ρομπότ μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτή τη τεχνολογία για να πλοηγηθεί πιο εύκολα σε εμπόδια και στροφές χωρίς την ανάγκη να σέρνει στερεό υλικό.

Πιθανές Πρακτικές Εφαρμογές

Η ομάδα λέει ότι η διαδικασία θα μπορούσε να εφαρμοστεί και στη μεταποίηση, ιδιαίτερα όπου η θερμότητα, η πίεση και τα μηχανήματα για τη δημιουργία και διαμόρφωση υλικών ίσως να μην είναι πλέον απαραίτητα.

«Ένα πολύ σημαντικό μέρος αυτού του έργου είναι ότι έχουμε επιστήμονες υλικών, χημικούς μηχανικούς και ρομποτικούς μηχανικούς όλους να συμμετέχουν», συνέχισε ο Ellison. «Συνδυάζοντας όλη τη διαφορετική τεχνογνωσία μας, πραγματικά φέραμε κάτι μοναδικό σε αυτό το έργο, και είμαι βέβαιος ότι κανείς από εμάς δεν θα μπορούσε να το είχε κάνει μόνο του. Αυτό είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς η συνεργασία επιτρέπει στους επιστήμονες να αντιμετωπίζουν πραγματικά δύσκολα θεμελιώδη προβλήματα ενώ έχει επίσης τεχνολογική επίδραση».

Η ομάδα των ερευνητών περιλαμβάνει επίσης ερευνητές του Τμήματος Χημικής Μηχανικής και Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου της Μινεσότα Boran Zhao (μεταδιδακτορικός ερευνητής) και Lorraine Francis (Διακεκριμένη Καθηγήτρια του Κολλεγίου Επιστημών και Μηχανικής); και ερευνητές του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Μινεσότα Tim Kowalewski (αναπληρωτής καθηγητής) και Matthew Kubala (μεταπτυχιακός φοιτητής).