Baanbrekende duurzame zachte robotica: biologisch afbreekbare kunstmatige spieren voor een groenere toekomst

Een internationaal team van onderzoekers van het Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) in Stuttgart, Duitsland, de Johannes Kepler University (JKU) in Linz, Oostenrijk, en de University of Colorado (CU Boulder), Boulder, VS, hebben duurzaamheid naar de voorgrond van zachte robotica gebracht.

Samen ontwikkelden ze een volledig biologisch afbreekbare, hoge-prestatie kunstmatige spier gemaakt van gelatine, olie en bioplastics. De wetenschappers toonden het potentieel van deze innovatieve technologie door het te gebruiken om een robotische grijper te animeren, vooral gunstig voor eenmalig gebruik, zoals afvalinzameling. Deze kunstmatige spieren kunnen in gemeentelijke compostbakken worden weggegooid en volledig binnen zes maanden afbreken onder gecontroleerde omstandigheden.

Ellen Rumley, een bezoekende wetenschapper van CU Boulder die werkt in de afdeling Robotic Materials van MPI-IS en co-first auteur van het paper, benadrukt het belang van duurzame materialen in zachte robotica:

“Biologisch afbreekbare onderdelen kunnen een duurzame oplossing bieden, vooral voor eenmalig gebruik, zoals voor medische operaties, zoek- en reddingsmissies en het hanteren van gevaarlijke stoffen. In plaats van te accumuleren in stortplaatsen aan het einde van het productleven, kunnen de robots van de toekomst compost worden voor toekomstige plantengroei.”

Ontwikkeling van biologisch afbreekbare HASEL-kunstmatige spieren

De onderzoekers creëerden een door elektriciteit aangedreven kunstmatige spier genaamd HASEL (Hydraulisch versterkte zelfherstellende electrostatische actuatoren). HASEL’s zijn oliegevulde plastic zakjes gedeeltelijk bedekt met een paar elektrische geleiders genaamd elektroden. Wanneer een hoge spanning wordt toegepast over het elektrodenpaar, ontwikkelen zich tegenovergestelde ladingen, waardoor een kracht ontstaat die olie naar een elektroden-vrije regio van de zakjes duwt. Deze olie-migratie resulteert in het contracteren van de zakjes, vergelijkbaar met een echte spier. Voor HASEL’s om te deformeren, moeten de materialen die worden gebruikt voor de plastic zakjes en olie elektrische isolatoren zijn die in staat zijn om de hoge elektrische spanningen te weerstaan die worden gegenereerd door de geladen elektroden.

Een belangrijke uitdaging was het ontwikkelen van een conductief, zacht en volledig biologisch afbreekbaar elektrode. Onderzoekers bij JKU creëerden een recept met een mengsel van biopolymer gelatine en zouten dat rechtstreeks op HASEL-actuatoren kon worden gegoten.

David Preninger, co-first auteur van dit project en wetenschapper bij de afdeling Soft Matter Physics van JKU, legt uit:

“Het was belangrijk voor ons om elektroden te maken die geschikt zijn voor deze hoge-prestatie-toepassingen, maar met gemakkelijk beschikbare componenten en een toegankelijke fabricage-strategie.”

Afbeeldingsbron: Max Plank Institute

Elektrische prestaties en biologisch afbreekbare plastics

De volgende hindernis was het identificeren van geschikte biologisch afbreekbare plastics. Ingenieurs geven typisch prioriteit aan factoren zoals degradatiesnelheid en mechanische sterkte boven elektrische isolatie, een vereiste voor HASEL’s die werken bij enkele duizenden volts. Echter, bepaalde bioplastics toonden goede materiaalcompatibiliteit met gelatine-elektroden en voldoende elektrische isolatie.

Een specifieke materiaalcombinatie stelde HASEL’s in staat om 100.000 actuatoren te doorstaan bij enkele duizenden volts zonder elektrische fouten of prestatie-verlies. Deze biologisch afbreekbare kunstmatige spieren zijn elektromechanisch concurrerend met hun niet-biologisch afbreekbare tegenhangers, waardoor duurzaamheid in kunstmatige spier-technologie wordt bevorderd.

Ellen Rumley legt uit het effect van hun onderzoek:

“Door de uitstekende prestaties van dit nieuwe materiaalsysteem te laten zien, geven we een stimulans aan de robotica-gemeenschap om biologisch afbreekbare materialen te overwegen als een haalbare materiaaloptie voor het bouwen van robots. Het feit dat we zulke goede resultaten behaalden met bioplastics, motiveert hopelijk ook andere materiaalwetenschappers om nieuwe materialen te creëren met geoptimaliseerde elektrische prestaties in gedachten.”

Toekomstige vooruitzichten en toepassingen

De ontwikkeling van biologisch afbreekbare kunstmatige spieren opent nieuwe deuren voor de toekomst van robotica. Door duurzame materialen in robotische technologie te integreren, kunnen wetenschappers de milieubelasting van robots verminderen, vooral in toepassingen waar eenmalig gebruik apparaten dominant zijn. Het succes van dit onderzoek baant de weg voor het onderzoeken van meer biologisch afbreekbare componenten en het ontwerpen van volledig eco-vriendelijke robots.

Mogelijke toepassingen voor biologisch afbreekbare zachte robots gaan verder dan afvalinzameling en medische operaties. Deze robots kunnen worden gebruikt in milieumonitoring, landbouw en zelfs consumentenelektronica, waardoor de belasting op stortplaatsen wordt vermindert en bijdraagt aan een circulaire economie.

Naarmate het onderzoek voortduurt, plant het team om de materialen en processen die worden gebruikt bij het creëren van biologisch afbreekbare kunstmatige spieren verder te verfijnen. Door samen te werken met andere experts in materiaalwetenschap en robotica, streven ze ernaar om nieuwe technologieën te ontwikkelen die het veld van duurzame zachte robotica naar voren zullen brengen. Onderzoekers hopen om de adoptie van biologisch afbreekbare materialen in verschillende industrieën te stimuleren, waardoor een meer eco-bewuste aanpak van technologie-ontwikkeling wordt bevorderd.

Het baanbrekende werk van dit internationale onderzoeksteam vertegenwoordigt een vitale stap naar een meer duurzame toekomst voor zachte robotica. Door de haalbaarheid en prestaties van biologisch afbreekbare kunstmatige spieren te demonstreren, banen ze de weg voor verdere vooruitgang in groene technologie en inspireren ze de robotica-gemeenschap om duurzame alternatieven voor hun creaties te overwegen.