Uudistuvat kestävät pehmeät robotiikka: Biodegradabiliset keinotekoiset lihakset vihreämmän tulevaisuuden puolesta

Kansainvälinen tutkijaryhmä Max Planck -instituutista Stuttgartista, Saksasta, Johannes Kepler -yliopistosta Linzistä, Itävalta, ja Coloradon yliopistosta Boulderista, Yhdysvalloista, on tuonut kestävyyden pehmeän robotiikan etualalle.

Yhdessä he kehittivät täysin biodegradabilisen, korkean suorituskyvyn omaavan keinotekoisen lihaksen, joka valmistetaan gelatiinista, öljystä ja bioplaasteista. Tutkijat esittelivät tämän innovatiivisen teknologian potentiaalia käyttämällä sitä robottiylimäisen animointiin, erityisesti yksinkertaisten sovellusten, kuten jätteenkeräys, osalta. Nämä keinotekoiset lihakset voidaan hävittää kaupunkien kompostikasoissa ja ne hajoavat täysin kuuden kuukauden kuluessa valvotussa ympäristössä.

Ellen Rumley, vieraileva tutkija Coloradon yliopistosta, joka työskentelee Robotic Materials -osastossa Max Planck -instituutissa ja on yksi tutkimuksen ensisijaisista tekijöistä, korostaa kestävien materiaalien merkitystä pehmeässä robotiikassa:

“Biodegradabiliset osat voivat tarjota kestävän ratkaisun erityisesti yksinkertaisten sovellusten osalta, kuten lääketieteellisissä toimenpiteissä, etsintä- ja pelastusoperaatioissa ja vaarallisten aineiden käsittelyssä. Sen sijaan, että ne kertyvät kaatopaikoille tuotteen elinkaaren lopussa, tulevaisuuden robotit voivat muuttua kompostiksi tulevan kasvun hyödyksi.”

Biodegradabilisten HASEL -keinotekoisten lihasten kehittäminen

Tutkijat loivat sähköllä toimivan keinotekoisen lihaksen, jota kutsutaan HASEL:ksi (Hydraulisesti amplifioitu itsestään parantava elektrostaattinen aktuaattori). HASEL on öljytäytteinen muovipussi, joka on osittain peitetty parilla sähköjohtimilla, joita kutsutaan elektrodeiksi. Kun korkea jännite käytetään elektrodiin, vastakkaiset varaukset kertyvät, mikä luo voiman, joka työntää öljyä elektrodiensa vapaaseen alueeseen pussissa. Tämä öljyn siirtyminen johtaa pussin supistumiseen, samoin kuin oikean lihaksen. Jotta HASEL voisi muuttaa muotoa, materiaalit, joita käytetään muovipussiin ja öljyyn, on oltava sähköeristeitä, jotka voivat kestää korkeita sähköisiä jännityksiä, jotka syntyvät varattujen elektrodiensa ansiosta.

Yksi tärkeä haaste oli kehittää johtava, pehmeä ja täysin biodegradabilinen elektrodi. Tutkijat Johannes Kepler -yliopistosta loivat reseptin, joka käytti seosta biopolymeeri-gelatiinista ja suoloista, jota voitiin valaa suoraan HASEL-aktuaattoreihin.

David Preninger, yksi tutkimuksen ensisijaisista tekijöistä ja tutkija Soft Matter Physics -osastolla Johannes Kepler -yliopistossa, selittää:

“Meille oli tärkeää luoda elektrodit, jotka soveltuvat näihin korkean suorituskyvyn sovelluksiin, mutta joita voidaan valmistaa helposti saatavilla olevista komponenteista ja joilla on saatavilla oleva valmistusstrategia.”

Kuva: Max Plank -instituutti

Sähköinen suorituskyky ja biodegradabiliset muovit

Seuraava este oli löytää sopivia biodegradabilisia muoveja. Insinöörit painottavat yleensä tekijöitä, kuten hajoamisnopeutta ja mekaanista lujuutta, sähköeristävyyden sijaan, joka on vaatimus HASEL:ille, jotka toimivat useiden tuhansien voltien jännitteellä. Joillakin biomuoveilla on kuitenkin osoittautunut olevan hyvä materiaalinen yhteensopivuus gelatiinielektrodeiden kanssa ja riittävä sähköeristävyys.

Yksi tietty materiaalikombinaatio mahdollisti HASEL:ien kestää 100 000 toimintasykliä useiden tuhansien voltien jännitteellä ilman sähköistä vikaa tai suorituskyvyn laskua. Nämä biodegradabiliset keinotekoiset lihakset ovat sähkömekaanisesti kilpailukykyisiä ei-biodegradabilisten vastineiden kanssa, edistäen kestävyyttä keinotekoisen lihaksen teknologiassa.

Ellen Rumley selittää tutkimuksensa vaikutusta:

“Osoittamalla tämän uuden materiaalijärjestelmän erinomaisen suorituskyvyn, annamme kannustimen robotiikkayhteisölle harkita biodegradabilisia materiaaleja toimivana materiaalivaihtoehtona robotien rakentamiseen. Se, että saavutimme näin hyvät tulokset biomuovien kanssa, toivottavasti motivoi myös muita materiaalitutkijoita luomaan uusia materiaaleja, joilla on optimoitu sähköinen suorituskyky.”

Tulevaisuuden näkymät ja sovellukset

Biodegradabilisten keinotekoisten lihasten kehittäminen avaa uusia ovia tulevaisuuden robotiikalle. Kestävien materiaalien sisällyttäminen robotti-teknologiaan voi vähentää robotien ympäristövaikutusta, erityisesti sovelluksissa, joissa yksinkertaiset laitteet ovat yleisiä. Tämän tutkimuksen onnistuminen löytää uusia biodegradabilisia komponentteja ja suunnittelee täysin ekologisia roboteja.

Potentialaiset sovellukset biodegradabilisille pehmeille roboteille ulottuvat jätteenkeräyksestä ja lääketieteellisistä toimenpiteistä ympäristön seurantaan, maatalouteen ja jopa kuluttajaelektroniikkaan, vähentäen kaatopaikkojen taakkaa ja edistäen kestävää taloutta.

Tutkimuksen jatkuessa tutkijaryhmä aikoo edelleen kehittää materiaaleja ja prosesseja, joita käytetään biodegradabilisten keinotekoisten lihasten valmistamiseen. Yhteistyössä muiden materiaalitieteen ja robotiikan asiantuntijoiden kanssa he pyrkivät kehittämään uusia teknologioita, jotka edistävät kestävän pehmeän robotiikan alaa. Tutkijat toivovat, että he voivat kannustaa biodegradabilisten materiaalien käyttöä eri teollisuusaloilla, edistäen siten ympäristöystävällisempää lähestymistapaa teknologian kehittämisessä.

Tämän kansainvälisen tutkijaryhmän uraauurtava työ edustaa tärkeää askelta kestävemmän tulevaisuuden puolesta pehmeässä robotiikassa. Osoittamalla biodegradabilisten keinotekoisten lihasten toteutettavuuden ja suorituskyvyn, he ovat avaamassa tietä edistyneemmille kestävän teknologian edistämiselle ja inspiroimassa robotiikkayhteisöä harkitsemaan kestäviä vaihtoehtoja luomissaan.