חלוצים ברובוטיקה רכה בת-קיימא: שרירים מלאכותיים ביודגרדבילים לעתיד ירוק יותר

צוות בינלאומי של חוקרים מהמכון המקס פלאנק למערכות מודיעין (MPI-IS) בשטוטגרט, גרמניה, אוניברסיטת יוהאנס קפלר (JKU) בלינץ, אוסטריה, ואוניברסיטת קולורדו (CU Boulder), בולדר, ארצות הברית, הביאו את הקיימות לחזית הרובוטיקה הרכה.

יחד, הם פיתחו שריר מלאכותי ביודגרדבילי, בביצועים גבוהים, העשוי מג’לטין, שמן וביופלסטיק. המדענים הדגימו את הפוטנציאל של טכנולוגיה חדשנית זו על ידי שימוש בה להניע את אחיזת הרובוט, במיוחד ליישומים חד-פעמיים כגון איסוף פסולת. שרירים מלאכותיים אלה יכולים להיזרק לפחים לאיסוף פסולת עירונית ולהתפרק לחלוטין תוך שישה חודשים בתנאים מפוקחים.

אלן ראמלי, מדענית אורחת מ-CU Boulder העובדת במחלקת חומרים רובוטיים ב-MPI-IS ומחברת ראשונה משותפת של המאמר paper, מדגישה את חשיבותם של חומרים בת-קיימא ברובוטיקה רכה:

“חלקים ביודגרדבילים יכולים להציע פתרון בת-קיימא, במיוחד ליישומים חד-פעמיים, כגון ניתוחים רפואיים, משימות חיפוש והצלה, וטיפול בחומרים מסוכנים. במקום להצטבר במזבלות בסוף חיי המוצר, רובוטים עתידיים יכולים להפוך לדשן לצמיחת צמחים עתידיים.”

פיתוח שרירים מלאכותיים ביודגרדבילים HASEL

החוקרים יצרו שריר מלאכותי חשמלי בשם HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASELs הם כיסים מלאים שמן, חלקית מכוסים על ידי זוג מוליכים חשמליים הנקראים אלקטרודות. כאשר מתייחס מתח גבוה לזוג האלקטרודות, מתפתחות מטענים מנוגדים, היוצרים כוח הדוחף את השמן לאזור ללא אלקטרודות בכיס. תנועה זו של השמן גורמת לכיס להתכווץ, בדומה לשריר אמיתי. על מנת ש-HASELs יוכלו להתעוות, החומרים המשמשים לכיס הפלסטיק והשמן חייבים להיות מבודדים חשמלית, המסוגלים לעמוד בלחצים החשמליים הגבוהים הנוצרים על ידי האלקטרודות הטעונות.

אתגר מרכזי היה פיתוח אלקטרודה רכה, מוליכה וביודגרדבילית. חוקרים ב-JKU יצרו נוסחה המשתמשת בתערובת של ביופולימר ג’לטין ומלחים, אותה ניתן ליצוק ישירות על מנועי HASEL.

דייוויד פרנינגר, מחבר ראשון משותף לפרויקט זה ומדען בחטיבת פיזיקת חומרים רכים ב-JKU, מסביר:

“היה חשוב לנו ליצור אלקטרודות המתאימות ליישומים אלה בביצועים גבוהים, אך עם רכיבים זמינים ואסטרטגיה של ייצור נגישה.”

Image Source: Max Plank Institute

ביצועים חשמליים ופלסטיק ביודגרדבילי

המכשול הבא היה זיהוי פלסטיקים ביודגרדביליים מתאימים. מהנדסים בדרך כלל מעדיפים גורמים כגון קצב הירקבה וחוזק מכני על פני בידוד חשמלי, דרישה ל-HASELs הפועלים במתח של מספר אלפי וולט. עם זאת, חומרים מסוימים הדגימו תאימות חומרים טובה עם אלקטרודות ג’לטין ובידוד חשמלי מספק.

שילוב חומרים אחד איפשר ל-HASELs לעמוד ב-100,000 מחזורי פעולה במתח של מספר אלפי וולט, ללא כשל חשמלי או איבוד ביצועים. שרירים מלאכותיים ביודגרדביליים אלה הם מתחרים אלקטרו-מכנית למקביליהם הלא-ביודגרדביליים, מקדמים קיימות בטכנולוגיית שרירים מלאכותיים.

אלן ראמלי מפרטת על ההשפעה של מחקרם:

“על ידי הראות הביצועים המצוינים של מערכת חומרים חדשה זו, אנו נותנים תמריץ לקהילת הרובוטיקה לשקול חומרים ביודגרדביליים כאפשרות חומרית תקפה לבניית רובוטים. העובדה שהשגנו תוצאות כל כך טובות עם ביו-פלסטיק, מעודדת גם את מדעני החומרים אחרים ליצור חומרים חדשים עם ביצועים חשמליים מותאמים.”

תצפיות עתידיות ויישומים

פיתוח שרירים מלאכותיים ביודגרדביליים פותח דלתות חדשות לעתיד הרובוטיקה. באמצעות שילוב חומרים בת-קיימא בטכנולוגיה רובוטית, מדענים יכולים להפחית את ההשפעה הסביבתית של רובוטים, במיוחד ביישומים שבהם מכשירים חד-פעמיים שולטים. הצלחת מחקר זה פותחת את הדרך לחקר רכיבים ביודגרדביליים נוספים ותכנון רובוטים אקו-ידידותיים לחלוטין.

יישומים פוטנציאליים לרובוטים רכים ביודגרדביליים משתרעים מעבר לאיסוף פסולת וניתוחים רפואיים. רובוטים אלה יכולים לשמש בניטור סביבתי, חקלאות, ואפילו אלקטרוניקה צרכנית, מה שמפחית את העומס על מזבלות ותורם לכלכלה מעגלית.

ככל שהמחקר ממשיך, הצוות תוכנן לשפר עוד יותר את החומרים והתהליכים המשמשים ביצירת שרירים מלאכותיים ביודגרדביליים. בשיתוף פעולה עם מומחים אחרים במדע חומרים ורובוטיקה, הם מתכננים לפתח טכנולוגיות חדשות שיניעו את תחום הרובוטיקה הרכה בת-קיימא קדימה. החוקרים מקווים לעודד אימוץ של חומרים ביודגרדביליים בתעשיות שונות, ובכך לקדם גישה יותר אקו-מודעת לפיתוח טכנולוגיה.

עבודתם החלוצית של צוות המחקר הבינלאומי מייצגת צעד חשוב לעבר עתיד יותר בת-קיימא עבור רובוטיקה רכה. בהדגמת הישימות והביצועים של שרירים מלאכותיים ביודגרדביליים, הם פותחים את הדרך להתקדמויות נוספות בטכנולוגיה ירוקה, ומעודדים את קהילת הרובוטיקה לשקול חלופות בת-קיימא ליצירותיהם.