Onderzoekers ontwikkelen water-gedreven zachte robot geïnspireerd door zeeappels

Een team van onderzoekers aan de afdeling Mechanische Ingenieurswetenschappen van de POSTECH heeft een water-gedreven zelf-opererende zachte actuator ontwikkeld, en deze is sneller en sterker dan conventionele zachte actuators. Het team werd geleid door Professor Dong Sung Kim, Dr. Andrew Choi en Hyeonseok Han.

Het onderzoek werd gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A.

MCT en zeeappels

De nieuwe ontwikkeling werd geïnspireerd door het mutable collagenous tissue (MCT) van zeeappels. Het lichaam van een zeeappel bestaat uit MCT, waardoor het kan verharden of verzachten afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. De elasticiteitsmodulus van zeeappels kan veranderen tot 10 keer in slechts enkele seconden, en dit maakt het mogelijk om door kleine spleten te passen of op te blazen om roofdieren te bedreigen. Ze kunnen dit doen door waterstofbruggen te vormen of te vernietigen in collageenweefsel door chemische regulators te controleren.

Actuatoren zijn stijf en kunnen hun fysieke toestand veranderen door een elektrisch signaal te gebruiken, net zoals een motor of schakelaar. Sommige zachte actuators kunnen daarentegen reageren op water en het gebruiken als een energiebron. Voor zachte robotica die vrijheid van beweging vereist, kunnen zachte actuators helpen in dit opzicht. Met dat gezegd, bestaande zachte actuators zijn vaak breekbaar en langzaam, waardoor ze niet effectief kunnen worden toegepast.

Superieur aan conventionele zachte actuators

De onderzoekers werden geïnspireerd door het MCT van zeeappels, dat vrijelijk van vorm kan veranderen door te reageren met water. Ze ontwikkelden vervolgens een actuator die programmeerbaar is en gebaseerd is op het bulk PNIPAAm-hydrogel, dat uiterst flexibel is. Het demonstreerde een actuerende kracht 200 keer groter en 300 keer sneller dan conventionele zachte actuators die water als energiebron gebruiken. Deze actuators kunnen zelfs water gebruiken als energiebron wanneer het op 80 graden Celsius is.

Door middel van verschillende tests toonde de actuator aan dat hij robuust genoeg was om de oorspronkelijke vorm te herstellen wanneer hij aan 300% van de trekspanning werd onderworpen.

Volgens het team kan deze actuator in veel verschillende sectoren worden gebruikt, waaronder de industriële en biomedische velden. Het kan ook een verschil maken in industriële robots, met name in grippers die als een menselijke arm fungeren en materialen tillen. Deze soort robot kan ook wonden sluiten en fungeren als kunstmatige vingers.

“De zachte robot activeert wanneer hij in contact komt met vocht en is flexibel en vervormbaar om gemakkelijk aan te passen aan verschillende omgevingen,” legde Professor Dong Sung Kim uit. “Deze nieuw ontwikkelde hydrogel-actuator is zeer krachtig en activeert snel om operatie mogelijk te maken, zelfs op plaatsen zonder elektriciteit, 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 Nationale Onderzoeksraad van Korea, en het Alchemist Project, gefinancierd door het Ministerie van Handel, Industrie en Energie.