Materiał syntetyczny pozwala miękkim robotom rosnąć jak rośliny

Zespół naukowców i inżynierów z Uniwersytetu Minnesoty opracował proces ekstruzji inspirowany roślinami, który umożliwia wzrost materiału syntetycznego, co mogłoby umożliwić miękkim robotom wzrost jak roślinom. Metoda ta jest innowacyjna i nowa, a wynikające z niej roboty mogłyby nawigować w ciasnych miejscach, skomplikowanym terenie i nawet w obszarach wewnątrz ludzkiego ciała.

Badania, które zostały sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki, zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Roboty, które „rosną” podczas ruchu

Chris Ellison jest jednym z głównych autorów artykułu i profesorem na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Nauk o Materiałach Uniwersytetu Minnesoty w Twin Cities.

„To pierwszy raz, kiedy te koncepcje zostały zademonstrowane na podstawowym poziomie”, powiedział Ellison. „Rozwój nowych sposobów produkcji jest niezwykle ważny dla konkurencyjności naszego kraju i dla udostępniania ludziom nowych produktów. Po stronie robotyki roboty są używane coraz częściej w niebezpiecznych, odległych środowiskach, i to są obszary, gdzie ta praca mogłaby mieć wpływ.”

Miękkie roboty to roboty zbudowane z miękkich i giętkich materiałów zamiast sztywnych materiałów, a nowe typy miękkich robotów, które mogą rosnąć, mogą generować nowy materiał i „rosnąć” podczas ruchu. Mogą one być stosowane w różnych aplikacjach i są szczególnie przydatne do nawigacji w odległych obszarach, do których ludzie nie mają dostępu. Rzeczywiste zastosowania mogą obejmować inspekcje lub instalację podziemnych rur, lub nawigację wewnątrz ludzkiego ciała.

Miękkie roboty, które mamy obecnie, pozostawiają za sobą ślad stałego materiału, a one używają ciepła i/lub ciśnienia, aby przekształcić materiał w bardziej trwałą strukturę. Naukowcy porównują to do drukarki 3D, która jest zasilana stałym filamentem, aby wyprodukować ukształtowany produkt. Pomimo tego, miękki materiał staje się trudny w prowadzeniu, gdy robot musi skręcać, co oznacza, że jest trudne dla robotów, aby omijać niektóre przeszkody.

Rozwój nowych metod ekstruzji

Aby rozwiązać ten problem, zespół opracował nową metodę ekstruzji. Nowy proces obejmuje przepchnięcie materiału przez otwór, aby utworzyć określony kształt, i umożliwia robotowi tworzenie syntetycznego materiału z cieczy zamiast z ciał stałych.

Matthew Hausladen jest pierwszym autorem artykułu i studentem doktoranckim na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Nauk o Materiałach Uniwersytetu Minnesoty w Twin Cities.

„Bardzo nas inspiruje, jak rośliny i grzyby rosną”, powiedział Hausladen. „Wzięliśmy pomysł, że rośliny i grzyby dodają materiał na końcu swojego ciała, albo na końcu korzeni, albo na nowych pędach, i przetłumaczyliśmy to na system inżynierski.”

Naukowcy chcieli naśladować proces, w którym rośliny używają wody do transportu bloków budulcowych, które przekształcają się w stałe korzenie, gdy roślina rośnie na zewnątrz. Aby to osiągnąć z materiałem syntetycznym, zespół polegał na technice zwanej fotopolimeryzacją, która używa światła do przekształcenia ciekłych monomerów w stały materiał. Miękki robot może użyć tej technologii, aby łatwiej nawigować wokół przeszkód i zakrętów bez konieczności ciągnięcia stałego materiału.

Potencjalne zastosowania w świecie rzeczywistym

Zespół twierdzi, że proces można byłoby wykorzystać również w produkcji, zwłaszcza tam, gdzie ciepło, ciśnienie i maszyny służące do wytwarzania i kształtowania materiałów mogłyby nie być już potrzebne.

„Bardzo ważną częścią tego projektu jest to, że mamy materiałoznawców, inżynierów chemicznych i inżynierów robotyki zaangażowanych”, kontynuował Ellison. „Poprzez połączenie naszych różnych specjalności, przynieśliśmy coś unikalnego do tego projektu, i jestem pewien, że żaden z nas nie mógłby tego zrobić samodzielnie. To jest wspaniały przykład tego, jak współpraca umożliwia naukowcom rozwiązywać bardzo trudne podstawowe problemy, jednocześnie mając wpływ technologiczny.”

Zespół badaczy obejmuje również naukowców z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Nauk o Materiałach Uniwersytetu Minnesoty, Boran Zhao (badacz na stażu podoktorskim) i Lorraine Francis (wybitny profesor College of Science and Engineering); oraz naukowców z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Minnesoty, Tim Kowalewski (associate professor) i Matthew Kubala (student studiów podyplomowych).