Ingeniører utvikler elektronikkfrie roboter som kan overvåke vannforhold

Et team av ingeniører ved Duke University har utviklet en ny elektronikkfri, myk robot som kan spille en stor rolle i å overvåke miljøforhold i fremtiden. Roboten er formet som en øyenstikker, og den kan gli over vann mens den reagerer på miljøforhold som pH, temperatur og nærvær av olje.

Den nye proof-of-principle-demonstrasjonen ble detaljert i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems den 25. mars.

Myke roboter fortsetter å utvikle seg og bli bedre, og de vokser i betydning på grunn av deres fleksibilitet. De er i stand til å håndtere ømfintlige objekter som biologiske vev, og de kan passe inn i tettere rom sammenlignet med andre stive roboter.

Shyni Varghee, den som stod bak ideen, er professor i biomedisinsk ingeniørkunst, mekanisk ingeniørkunst og materialvitenskap, og ortopedisk kirurgi ved Duke.

Vardham Kumas er en PhD-student i Varghese’s lab og første forfatter av artikkelen.

“Jeg fikk en e-post fra Shyni fra flyplassen som sa hun hadde en idé for en myk robot som bruker en selvhelende hydrogel som hennes gruppe hadde funnet opp tidligere for å reagere og bevege seg autonomt,” sa Kumar. “Men det var alt i e-posten, og jeg hørte ikke fra henne igjen i dager. Så ideen lå i limbo en stund til jeg hadde nok fritid til å følge opp den, og Shyni sa å gå for det.”

Selvhelende Hydrogel

Tilbake i 2012 utviklet Varghese’s lab en selvhelende hydrogel som kunne reagere på endringer i pH på bare noen sekunder. En endring i surhet fører til at nye bindinger dannes på hydrogelen, og dette kan reverseres når pH-nivået returnerer til det opprinnelige nivået.

En del av Varghese’s nye idé var å bruke hydrogelen på en myk robot for å kunne reise over vann mens den detekterer pH-endringer på ulike steder. Hun søkte etter en måte for laboratoriet å komme opp med denne typen robot som fungerer som en autonom miljøsensor.

Sammen med Ung Hyun Ko, en postdoktorand i Varghese’s lab, designet Kumar en myk robot basert på en flue. Etter flere forsøk, bestemte teamet seg for formen på en øyenstikker, og den ble konstruert med et nettverk av interne mikrokanaler som gjorde det mulig å kontrollere den med lufttrykk.

Kroppen på den myke roboten er omtrent 5,7 cm lang, og vingespennet er 3,6 cm. Den ble skapt ved å helle silikon inn i en aluminiumform før den ble bakt. Myk litografi ble brukt til å lage interne kanaler som var koblet til silikontuber.

https://www.youtube.com/watch?v=bTjZQMvagJ8&t=2s

DraBot

Den resulterende myke roboten ble kalt DraBot.

“Å få DraBot til å reagere på lufttrykkskontroll over lange avstander uten noen elektronikk var vanskelig,” sa Ko. “Det var definitivt den mest utfordrende delen.”

DraBot kontrollerer lufttrykket som kommer inn i vingene, og mikrokanalene fører luften inn i fremvingene. Den slipper så ut gjennom hull som peker rett inn i bakvingene. DraBot vil ikke bevege seg hvis luftstrømmen blokkeres av begge bakvinger som er nede. Men hvis begge vingene er opp, beveger den seg fremover.

Teamet utviklet også ballongaktuatorer for å gi mer kontroll, og de er plassert under hver av bakvingene nær robotens kropp. Når disse inflaseres, bøyer vingen oppover, og forskerne kan kontrollere hvor roboten går ved å endre hvilke vinger som er opp eller nede.

“Vi var glade når vi kunne kontrollere DraBot, men det er basert på levende ting,” sa Kumar. “Og levende ting beveger seg ikke bare rundt på egen hånd, de reagerer på miljøet sitt.”

Teamet brukte den selvhelende hydrogelen ved å male en sett av vinger med den, noe som gjorde DraBot responsiv til endringer i vannets pH. Hvis det er for surt, smelter en side av fremvingen sammen med bakvingen, noe som får roboten til å rotere i en sirkel i stedet for å gå rett frem. Når pH-nivået returnerer til et normalt nivå, reverseres hydrogenet og vingene skiller seg igjen, og DraBot kan bli fullt responsiv på kommandoer.

Forskerne la også til temperatursensitive materialer, noe som gjorde det mulig for DraBot å gli over vann og suge opp olje med svamper. Fargen på svampene endrer seg avhengig av fargen på oljen, og når vannet er for varmt, endrer vingene på roboten farge også.

De nye utviklingene kunne hjelpe med å bekjempe miljøproblemer i fremtiden. For eksempel kunne en slik robot detektere ferskvannssurhet, som påvirker ulike geologisk sensitive regioner. Den kunne også hjelpe med å detektere oljeutslepp tidlig eller detektere tidlige tegn på rød tide og korallbleking.