Pionerende bærekraftige myke roboter: Biologisk nedbrytbare kunstige muskler for en grønnere fremtid

Et internasjonalt team av forskere fra Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) i Stuttgart, Tyskland, Johannes Kepler University (JKU) i Linz, Østerrike, og University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, har ført bærekraft til fronten av myk robotikk.

Sammen har de utviklet 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 gunstig for enkeltbrukapplikasjoner som avfallssamling. Disse kunstige musklene kan kastes i kommunale kompostbokser og fullstendig biologisk nedbrytes innen seks måneder under overvåkede forhold.

Ellen Rumley, en gjesteforsker fra CU Boulder som arbeider i Robotic Materials Department ved MPI-IS og co-first forfatter av paperet, understreker viktigheten av bærekraftige materialer i myk robotikk:

“Biologisk nedbrytbare deler kunne tilby en bærekraftig løsning spesielt for enkeltbrukapplikasjoner, som for medisinske operasjoner, søk- og redningsoppdrag og håndtering av farlige stoffer. I stedet for å samle seg i deponi på slutten av produktets levetid, kunne 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 plastpenger delvis dekket av et par elektriske ledere kalt elektroder. Når en høy spenning blir applisert over elektrodeparet, bygges motsatte ladninger opp, og genererer en kraft som skyver olje til en elektrodefri region av pungen. Dette oljemigreringen resulterer i at pungen kontraherer, likt en virkelig muskel. For HASEL å deformere, må materialene som brukes til plastpungen 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, co-first forfatter for dette prosjektet og en forsker ved Soft Matter Physics Division 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.”

Image Source: Max Plank Institute

Elektrisk ytelse og biologisk nedbrytbare plast

Neste hindring var å identifisere passende biologisk nedbrytbare plast. Ingeniører prioriterer vanligvis faktorer som nedbrytningshastighet og mekanisk styrke over elektrisk isolasjon, et krav for HASEL som opererer på 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 på flere tusen volt uten elektrisk feil eller ytelsesTap. Disse biologisk nedbrytbare kunstige musklene er elektromekanisk konkurransedyktige med sine ikke-biologisk nedbrytbare motparter, og fremmer bærekraft i kunstig muskkelteknologi.

Ellen Rumley forklarer påvirkningen av deres forskning:

“Ved å vise den usedvanlige ytelsen til dette nye materialsystemet, gir vi en incentiv for robotikksamfunnet til å vurdere biologisk nedbrytbare materialer som en levedyktig materialvalg 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 mente.”

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 enkeltbruksenheter er vanlige. Suksessen med denne forskningen åpner veien for å utforske flere biologisk nedbrytbare komponenter og designe helt økovennlige roboter.

Potensielle applikasjoner for biologisk nedbrytbare myke roboter strekker seg utenfor avfallssamling og medisinske operasjoner. Disse robotene kunne bli brukt i miljøovervåking, jordbruk og sogar forbrukerelektronikk, og redusere belastningen på deponi og bidra til en sirkulær økonomi.

Ettersom 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 økovennlige tilnærming til teknologiens utvikling.

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, åpner de veien for videre fremgang i grønn teknologi og inspirerer robotikksamfunnet til å vurdere bærekraftige alternativer for sine skapninger.