Onderzoekers ontwikkelen door water aangedreven zachte robot geïnspireerd op zeekomkommers

Een team onderzoekers van de afdeling Werktuigbouwkunde van POSTECH heeft een door water aangedreven, zelfwerkende zachte actuator ontwikkeld, die sneller en sterker is dan conventionele zachte actuatoren. Het team werd geleid door professor Dong Sung Kim, dr. Andrew Choi en Hyeonseok Han. 

Het onderzoek is gepubliceerd in de Journal of materiaalchemie A.

MCT en Zeekomkommers

De nieuwe ontwikkeling is geïnspireerd op het veranderlijke collageenweefsel (MCT) van zeekomkommers. Het lichaam van een zeekomkommer is gemaakt van MCT, waardoor het afhankelijk van de omgeving harder of zachter kan worden. De elasticiteitsmodulus van zeekomkommers kan in slechts enkele seconden tot 10 keer veranderen, waardoor ze door kleine spleten passen of opgeblazen worden om roofdieren te bedreigen. Ze kunnen dit doen door waterstofbruggen in collagene weefsels te vormen of te vernietigen. door chemische regulatoren te controleren.

Actuators zijn rigide en kunnen hun fysieke toestand veranderen door elektrische signaalverandering te gebruiken, vergelijkbaar met een motor of schakelaar. Sommige zachte actuatoren daarentegen zijn in staat om op water te reageren en het als energiebron te gebruiken. Voor zachte robotica die bewegingsvrijheid vereisen, kunnen zachte actuatoren hierbij helpen. Dat gezegd hebbende, bestaande zachte actuatoren zijn vaak kwetsbaar en traag, wat betekent dat ze niet effectief kunnen worden toegepast.

Superieur aan conventionele zachte actuatoren

De onderzoekers lieten zich inspireren door de MCT van zeekomkommers, die vrijelijk van vorm kunnen veranderen door te reageren met water. Vervolgens ontwikkelden ze een actuator die programmeerbaar is en gebaseerd is op de bulk PNIPAAm hydrogel, die extreem flexibel is. Het demonstreerde een aandrijfkracht die 200 keer groter en 300 keer sneller was dan conventionele zachte actuatoren die afhankelijk zijn van water als energiebron. Deze actuatoren zijn zelfs in staat om het water als energiebron te gebruiken als het 80 graden Celsius is. 

Door middel van verschillende tests heeft de actuator aangetoond dat hij robuust genoeg is om de oorspronkelijke vorm te herstellen wanneer hij wordt blootgesteld aan 300% trekbelasting. 

Volgens het team zou deze actuator in veel verschillende sectoren kunnen worden gebruikt, waaronder de industriële en biomedische sector. Het kan ook een verschil maken in industriële robots, meer bepaald met grijpers die als menselijke arm fungeren en materialen optillen. Dit type robot kan ook wonden dichten en fungeren als kunstvingers.

"De zachte robot wordt geactiveerd wanneer hij in contact komt met vocht en is flexibel en vervormbaar om zich gemakkelijk aan te passen aan verschillende omgevingen", legt professor Dong Sung Kim uit. "Deze nieuw ontwikkelde hydrogel-actuator is zeer krachtig en wordt snel geactiveerd om zelfs op plaatsen zonder elektriciteit te kunnen werken door chemische energie te gebruiken."

Het onderzoek werd ondersteund door het Mid-career Researcher Program en het Core Technology Biomedical Development Program, gefinancierd door het Ministerie van Wetenschap en ICT en de National Research Foundation of Korea, en het Alchemist Project, gefinancierd door het Ministerie van Handel, Industrie en Energie.