Synteettinen materiaali mahdollistaa pehmeiden robottien kasvamisen kasvien tavoin

Minnesotan yliopiston tutkijaryhmä on kehittänyt kasveista inspiraationsa saaneen ekstruusioprosessin, joka mahdollistaa synteettisen materiaalin kasvamisen, mikä voisi mahdollistaa pehmeiden robottien kasvamisen kuin kasvit. Menetelmä on innovatiivinen ja uusi, ja tuloksena olevat robotit voivat navigoida ahtaiden paikkojen ja monimutkaisen maaston ja jopa kehon sisällä olevien alueiden läpi. 

Tutkimus, jota rahoitti National Science Foundation, julkaistiin Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)-julkaisussa. 

Robotit, jotka “kasvavat” liikkuessaan

Chris Ellison on yksi tutkimusartikkelin pääkirjoittajista ja professori Minnesotan yliopiston Twin Citiesin kemian insinööritieteiden ja materiaalitieteiden laitoksella. 

“Tämä on ensimmäinen kerta, kun nämä käsitteet on perustavasti osoitettu”, Ellison sanoi. “Uusien valmistusmenetelmien kehittäminen on olennaista maamme kilpailukyvyn ja uusien tuotteiden saattamisessa ihmisten käyttöön. Robotti-puolella robotteja käytetään yhä enemmän vaarallisissa, etäisissä ympäristöissä, ja nämä ovat alueita, joissa tämä työ voisi vaikuttaa.” 

Pehmeät robotit ovat robotteja, jotka on valmistettu pehmeistä ja taipuisista materiaaleista, eivätkä jäykistä materiaaleista, ja nämä uudet pehmeät kasvavat robotit voivat tuottaa uutta materiaalia ja “kasvaa” liikkuessaan. Niitä voidaan soveltaa moniin sovelluksiin, ja ne ovat erityisen hyödyllisiä etäisten alueiden navigoinnissa, joille ihmiset eivät pääse. Todelliset sovellukset voivat sisältää tarkastuksia tai maanalaisten putkien asennusta tai kehon sisällä olevien alueiden navigointia. 

Nykyiset pehmeät kasvavat robotit, jotka ovat nykyisin käytettävissämme, jättävät jälkeensä kiinteän materiaalin, ja ne käyttävät lämpöä ja/tai painetta muuttaakseen materiaalin pysyvämmäksi rakenteeksi. Tutkijat vertaavat tätä 3D-tulostimeen, jolle syötetään kiinteää filamenttia tuotettaessa muotoiltu tuote. Vaikka näin on, pehmeän materiaalin käsittely vaikeutuu robotin kääntyessä, mikä tekee vaikeaksi robottien liikkumisen tiettyjen esteiden ohi. 

Uusien ekstruusiomenetelmien kehittäminen

Tätä ongelmaa vastaan tutkijaryhmä kehitti uuden ekstruusiomenetelmän. Uusi prosessi käsittää materiaalin puristamista aukon läpi tietyn muodon luomiseksi, ja se mahdollistaa sen, että robotti tuottaa synteettistä materiaalia nesteistä kiinteiden aineiden sijaan. 

Matthew Hausladen on tutkimuksen ensisijainen tekijä ja tohtorikoulutettava Minnesotan yliopiston Twin Citiesin kemian insinööritieteiden ja materiaalitieteiden laitoksella. 

“Olimme erittäin inspiroituneita siitä, miten kasvit ja sienet kasvavat”, Hausladen sanoi. “Otimme idean, että kasvit ja sienet lisäävät materiaalia kehon päässä, joko juurien kärjissä tai uusissa versoissa, ja käänsimme sen insinöörijärjestelmäksi.” 

Tutkijat halusivat jäljitellä prosessia, jossa kasvit käyttävät vettä kuljettamaan rakennusosia, jotka muuttuvat kiinteiksi juuriksi kasvin kasvaessa ulospäin. Tämän saavuttamiseksi synteettisellä materiaalilla tutkijaryhmä luotti tekniikkaan, jota kutsutaan fotopolymeroinniksi, joka käyttää valoa muuttaakseen nestemäisiä monomeerejä kiinteäksi materiaaliksi. Pehmeä robotti voi käyttää tätä teknologiaa navigoidakseen esteiden ympärillä ja käännöksissä ilman kiinteän materiaalin raahaamista. 

Mahdolliset käytännön sovellukset

Tutkijaryhmän mukaan uutta prosessia voitaisiin hyödyntää myös valmistuksessa, erityisesti sovelluksissa, joissa materiaalien luomiseen ja muotoiluun käytettyä lämpöä, painetta ja koneistoa ei ehkä enää tarvittaisi. 

“Tämän projektin erittäin tärkeä osa on, että meillä on mukana materiaalitutkijoita, kemian insinöörejä ja robotti-insinöörejä”, Ellison jatkoi. “Kokoamalla yhteen eri asiantuntemuksemme, toimme tähän projektiin jotakin todella ainutlaatuista, ja olen varma, että yksikään meistä ei olisi voinut tehdä tätä yksin. Tämä on erinomainen esimerkki siitä, miten yhteistyö antaa tutkijoille mahdollisuuden ratkaista vaikeita perustavanlaatuisia ongelmia ja samalla vaikuttaa teknologiaan.” 

Tutkijaryhmään kuuluvat myös Minnesotan yliopiston kemian insinööritieteiden ja materiaalitieteiden laitoksen tutkijat Boran Zhao (postdoc-tutkija) ja Lorraine Francis (College of Science and Engineering Distinguished Professor); ja Minnesotan yliopiston mekaniikan insinööritieteiden laitoksen tutkijat Tim Kowalewski (apulaisprofessori) ja Matthew Kubala (jatko-opiskelija).