Pionerende bærekraftig myk robotikk: Biologisk nedbrytbare kunstige muskler for en grønnere fremtid

Et internasjonalt forskningsteam fra Max Planck-instituttet for intelligente systemer (MPI-IS) i Stuttgart, Tyskland, Johannes Kepler Universitet (JKU) i Linz, Østerrike, og University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, har ført bærekraft til fronten av myk robotikk.

Sammen utviklet de en fullstendig biologisk nedbrytbar, høy-ytelses kunstig muskel laget av gelatin, olje og bioplast. Forskerne viste potensialet for denne innovative teknologien ved å bruke den til å animere en robotgrep, spesielt nyttig for enkeltbruk til å samle avfall. Disse kunstige musklene kan kastes i kommunale kompostbøtter og fullstendig nedbrytes innen seks måneder under overvåkede forhold.

Ellen Rumley, en gjesteforsker fra CU Boulder som arbeider i avdelingen for robotiske materialer ved MPI-IS og medforfatter av artikkelen, understreker viktigheten av bærekraftige materialer i myk robotikk:

“Biologisk nedbrytbare deler kan tilby en bærekraftig løsning, spesielt for enkeltbruk, som for medisinske operasjoner, rednings- og lettingsoppdrag og håndtering av farlige stoffer. I stedet for å samle seg i deponi ved slutten av produktets levetid, kan fremtidens roboter bli kompost for fremtidig plantevekst.”

Utvikling av biologisk nedbrytbare HASEL kunstige muskler

Forskerne skapte en elektrisk drevet kunstig muskel kalt HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASEL er oljefylte plastposer delvis dekket av et par elektriske ledere kalt elektroder. Når en høy spenning blir applisert over elektrodeparet, bygges motsatte ladninger opp, og en kraft genereres som skyver oljen til en elektrodefri region av posen. Dette oljemigreringen resulterer i at posen kontraherer, likt en ekte muskel. For HASEL å deformere, må materialene som brukes til plastposen og oljen være elektriske isolatorer i stand til å tåle de høye elektriske spenningene generert av de ladete elektrodene.

En nøkkelutfordring var å utvikle en ledende, myk og fullstendig biologisk nedbrytbar elektrode. Forskere ved JKU skapte en oppskrift ved å blande biopolymer gelatin og salter som kunne kastes direkte på HASEL-aktuatorer.

David Preninger, medforfatter for dette prosjektet og forsker ved avdelingen for myk fysikk ved JKU, forklarer:

“Det var viktig for oss å lage elektroder som var egnet for disse høy-ytelsesapplikasjonene, men med lett tilgjengelige komponenter og en tilgjengelig fabrikasjonsstrategi.”

Bildekilde: Max Plank Institute

Elektrisk ytelse og biologisk nedbrytbare plast

Neste hinder var å identifisere egnet biologisk nedbrytbare plast. Ingeniører prioriterer vanligvis faktorer som nedbrytningshastighet og mekanisk styrke over elektrisk isolasjon, et krav for HASEL som opererer ved flere tusen volt. Imidlertid viste visse bioplaster god materialekompatibilitet med gelatinelektroder og tilstrekkelig elektrisk isolasjon.

En bestemt materialkombinasjon tillot HASEL å tåle 100 000 aktueringscykler ved flere tusen volt uten elektrisk feil eller ytelsesTap. Disse biologisk nedbrytbare kunstige musklene er elektromekanisk konkurransedyktige med deres ikke-biologisk nedbrytbare motparter, og fremmer bærekraft i kunstig muskleteknologi.

Ellen Rumley utdyper påvirkningen av deres forskning:

“Ved å vise den usedvanlige ytelsen til dette nye materialsystemet, gir vi en incitament for robotikksamfunnet til å vurdere biologisk nedbrytbare materialer som en livskraftig mulighet for å bygge roboter. Det faktum at vi oppnådde så gode resultater med bioplaster, håper også å motivere andre materialforskere til å skape nye materialer med optimalisert elektrisk ytelse i tankene.”

Fremtidige prospekter og applikasjoner

Utviklingen av biologisk nedbrytbare kunstige muskler åpner nye dører for fremtidens robotikk. Ved å inkorporere bærekraftige materialer i robotteknologi, kan forskere redusere den miljømessige påvirkningen av roboter, spesielt i applikasjoner hvor enkeltbruk enheter er vanlige. Suksessen med denne forskningen baner vei for å utforske flere biologisk nedbrytbare komponenter og å designe fullstendig økovennlige roboter.

Potensielle applikasjoner for biologisk nedbrytbare myke roboter strekker seg langt utenfor avfallssamling og medisinske operasjoner. Disse robotene kan brukes i miljøovervåking, jordbruk og sogar forbruker-elektronikk, og redusere belastningen på deponi og bidra til en sirkulær økonomi.

Så lenge forskningen fortsetter, planlegger teamet å videreutvikle materialene og prosessene som brukes til å skape biologisk nedbrytbare kunstige muskler. Ved å samarbeide med andre eksperter i materialvitenskap og robotikk, håper de å utvikle nye teknologier som vil fremme feltet bærekraftig myk robotikk fremover. Forskerne håper å oppmuntre til å bruke biologisk nedbrytbare materialer i ulike industrier, og dermed fremme en mer økologisk bevisst tilnærming til teknologiutvikling.

Det banebrytende arbeidet til dette internasjonale forskningsteamet representerer et viktig skritt mot en mer bærekraftig fremtid for myk robotikk. Ved å demonstrere levedyktigheten og ytelsen til biologisk nedbrytbare kunstige muskler, baner de vei for fremtidige fremgang i grønn teknologi og inspirerer robotikksamfunnet til å vurdere bærekraftige alternativer for sine skapninger.