Pionierzy zrównoważonej robotyki miękkiej: biodegradowalne sztuczne mięśnie dla bardziej zielonej przyszłości

Międzynarodowy zespół badaczy z Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) w Stuttgarcie, Niemcy, Johannes Kepler University (JKU) w Linzu, Austria, oraz University of Colorado (CU Boulder) w Boulder, USA, przyniósł zrównoważoność do przodu w dziedzinie robotyki miękkiej.

Razem opracowali w pełni biodegradowalne, wysokowydajne sztuczne mięśnie zrobione z żelatyny, oleju i bioplastików. Naukowcy zademonstrowali potencjał tej innowacyjnej technologii, używając jej do animacji chwytaka robota, szczególnie przydatnego w aplikacjach jednorazowych, takich jak zbieranie odpadów. Te sztuczne mięśnie mogą być wyrzucane do kompostowych pojemników miejskich i w pełni biodegradować w ciągu sześciu miesięcy w kontrolowanych warunkach.

Ellen Rumley, visiting scientist z CU Boulder, pracujący w dziale Robotic Materials w MPI-IS i współautor pracy, podkreśla znaczenie zrównoważonych materiałów w robotyce miękkiej:

“Sztuczne mięśnie biodegradowalne mogą zapewnić zrównoważone rozwiązanie, szczególnie w aplikacjach jednorazowych, takich jak operacje medyczne, misje poszukiwawczo-ratunkowe i manipulacja substancjami niebezpiecznymi. Zamiast gromadzić się na wysypiskach na końcu życia produktu, roboty przyszłości mogą stać się kompostem dla przyszłego wzrostu roślin.”

Opracowanie biodegradowalnych sztucznych mięśni HASEL

Badacze stworzyli sztuczne mięśnie napędzane elektrycznie, zwane HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASEL to worki z olejem wypełnione częściowo pokryte parą elektrod. Gdy wysokie napięcie jest stosowane pomiędzy elektrodami, powstają przeciwne ładunki, generujące siłę, która pcha olej do obszaru worka pozbawionego elektrod. To przemieszczenie oleju powoduje kurczenie się worka, podobnie jak prawdziwe mięśnie. Aby HASEL mogły ulegać deformacji, materiały użyte do worka i oleju muszą być izolatorami elektrycznymi, zdolnymi do wytrzymania wysokich napięć elektrycznych generowanych przez naładowane elektrody.

Kluczowym wyzwaniem było opracowanie przewodzącej, miękkiej i w pełni biodegradowalnej elektrody. Badacze z JKU stworzyli recepturę z mieszanki biopolimeru żelatyny i soli, którą można było bezpośrednio odlać na aktywatory HASEL.

David Preninger, współautor tego projektu i naukowiec w dziale Soft Matter Physics Division w JKU, wyjaśnia:

“Było dla nas ważne, aby stworzyć elektrody odpowiednie dla tych wysokowydajnych aplikacji, ale z łatwo dostępnymi składnikami i dostępną strategią wytwarzania.”
 

Źródło obrazu: Max Plank Institute

Wydajność elektryczna i biodegradowalne plastyki

Następną przeszkodą było znalezienie odpowiednich biodegradowalnych plastików. Inżynierowie zwykle priorytetowo traktują czynniki takie jak stopień degradacji i wytrzymałość mechaniczna nad izolacją elektryczną, wymaganiem dla HASEL, które działają przy kilku tysiącach woltów. Jednak pewne bioplastiki wykazały dobrą kompatybilność materiałową z elektrodami żelatynowymi i wystarczającą izolację elektryczną.

Jedna konkretna kombinacja materiałów pozwoliła HASEL na wytrzymanie 100 000 cykli aktywacji przy kilku tysiącach woltów bez awarii elektrycznej lub utraty wydajności. Te biodegradowalne sztuczne mięśnie są elektromechanicznie konkurencyjne w stosunku do swoich niebiodegradowalnych odpowiedników, promując zrównoważoność w technologii sztucznych mięśni.

Ellen Rumley wyjaśnia wpływ ich badań:

“Poprzez pokazanie wybitnej wydajności tego nowego systemu materiałowego, dajemy zachętę społeczności robotycznej do rozważania biodegradowalnych materiałów jako wiarygodnej opcji materiałowej do budowy robotów. Fakt, że osiągnęliśmy tak dobre wyniki z bio-plastikami, daje nadzieję, że również inni naukowcy materiałowi będą tworzyć nowe materiały z optymalną wydajnością elektryczną.”

Przyszłe perspektywy i zastosowania

Opracowanie biodegradowalnych sztucznych mięśni otwiera nowe możliwości dla przyszłości robotyki. Poprzez włączanie zrównoważonych materiałów do technologii robota, naukowcy mogą zmniejszyć wpływ środowiskowy robotów, szczególnie w aplikacjach, w których urządzenia jednorazowego użytku są powszechne. Sukces tego badania toruje drogę do dalszych badań nad bardziej biodegradowalnymi komponentami i projektowaniem w pełni ekologicznych robotów.

Potencjalne zastosowania biodegradowalnych robotów miękkich sięgają poza zbieranie odpadów i operacje medyczne. Te roboty mogą być używane w monitorowaniu środowiska, rolnictwie i nawet w elektronice konsumenckiej, zmniejszając obciążenie wysypisk i przyczyniając się do gospodarki obiegu zamkniętego.

Podczas gdy badania będą kontynuowane, zespół planuje dalej udoskonalać materiały i procesy używane w tworzeniu biodegradowalnych sztucznych mięśni. Poprzez współpracę z innymi ekspertami w dziedzinie materiałów i robotyki, mają na celu opracowanie nowych technologii, które będą napędzać dziedzinę zrównoważonej robotyki miękkiej do przodu. Naukowcy mają nadzieję zachęcić do przyjęcia biodegradowalnych materiałów w różnych branżach, tym samym promując bardziej ekologiczne podejście do rozwoju technologii.

Pionierska praca tego międzynarodowego zespołu badawczego reprezentuje istotny krok w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości dla robotyki miękkiej. Poprzez zademonstrowanie przydatności i wydajności biodegradowalnych sztucznych mięśni, torują drogę do dalszych postępów w zielonej technologii i inspirują społeczność robotyczną do rozważania zrównoważonych alternatyw dla swoich tworów.