Pionierat în robotică moale durabilă: mușchi artificiali biodegradabili pentru un viitor mai verde

O echipă internațională de cercetători de la Institutul Max Planck pentru Sisteme Inteligente (MPI-IS) din Stuttgart, Germania, Universitatea Johannes Kepler (JKU) din Linz, Austria, și Universitatea din Colorado (CU Boulder), Boulder, SUA, au adus durabilitatea în prim-planul roboticii moi.

Împreună, au dezvoltat un mușchi artificial biodegradabil, cu performanță ridicată, realizat din gelatină, ulei și bioplastice. Oamenii de știință au demonstrat potențialul acestei tehnologii inovatoare, utilizând-o pentru a anima un gripper robotic, în special benefic pentru aplicații de unică folosință, cum ar fi colectarea deșeurilor. Acești mușchi artificiali pot fi aruncați în containerele de compost și se biodegradează complet în şase luni, în condiții monitorizate.

Ellen Rumley, o cercetătoare vizitatoare de la CU Boulder, care lucrează în Departamentul de Materiale Robotice de la MPI-IS și este co-autor al articolului, subliniază importanța materialelor durabile în robotică moale:

“Părțile biodegradabile ar putea oferi o soluție durabilă, în special pentru aplicații de unică folosință, cum ar fi operațiile medicale, misiunile de căutare și salvare și manipularea substanțelor periculoase. În loc să se acumuleze în gropile de gunoi la sfârșitul vieții produsului, roboții viitorului ar putea deveni compost pentru creșterea plantelor viitoare.”

Dezvoltarea mușchilor artificiali biodegradabili HASEL

Cercetătorii au creat un mușchi artificial condus electric, numit HASEL (Actuatori electrostatici auto-vindecători, amplificați hidraulic). HASEL-urile sunt pungi de plastic umplute cu ulei și parțial acoperite de o pereche de conductori electrici numiți electrozi. Atunci când se aplică un voltaj ridicat peste perechea de electrozi, se creează sarcini opuse, generând o forță care împinge uleiul către o regiune fără electrozi a pungii. Această migrare a uleiului duce la contractarea pungii, similar cu un mușchi real. Pentru a se deforma, materialele utilizate pentru punga de plastic și uleiul trebuie să fie izolatori electrici capabili să suporte stresul electric ridicat generat de electrozii încărcați.

O provocare cheie a fost dezvoltarea unui electrod conductiv, moale și complet biodegradabil. Cercetătorii de la JKU au creat o rețetă utilizând un amestec de biopolimer gelatină și săruri care putea fi turnat direct pe actuatori HASEL.

David Preninger, co-autor al acestui proiect și cercetător în cadrul Diviziei de Fizică a Materialelor Moi de la JKU, explică:

“A fost important pentru noi să creăm electrozi potriviți pentru aceste aplicații de înaltă performanță, dar cu componente disponibile și o strategie de fabricație accesibilă.”

Sursa imaginii: Max Plank Institute

Performanța electrică și plasticul biodegradabil

Următoarea provocare a fost identificarea plasticului biodegradabil potrivit. Inginerii obișnuiesc să prioritizeze factori precum rata de degradare și rezistența mecanică înainte de izolarea electrică, o cerință pentru HASEL-urile care funcționează la mii de volți. Cu toate acestea, anumite bioplastice au demonstrat o bună compatibilitate cu electrozii de gelatină și o izolare electrică suficientă.

O anumită combinație de materiale a permis HASEL-urilor să suporte 100.000 de cicluri de activare la mii de volți, fără eșec electric sau pierdere de performanță. Acești mușchi artificiali biodegradabili sunt electromecanic competitivi cu omologii lor non-biodegradabili, promovând durabilitatea în tehnologia mușchilor artificiali.

Ellen Rumley explică impactul cercetării lor:

“Prin demonstrarea performanței remarcabile a acestui sistem de materiale noi, oferim un stimulent pentru comunitatea de roboți să ia în considerare materialele biodegradabile ca o opțiune viabilă pentru construirea roboților. Faptul că am obținut astfel de rezultate excelente cu bioplástice sperăm să motiveze și alți oameni de știință din domeniul materialelor să creeze materiale noi cu performanță electrică optimizată.”

Perspectiva viitoare și aplicații

Dezvoltarea mușchilor artificiali biodegradabili deschide noi oportunități pentru viitorul roboticii. Prin integrarea materialelor durabile în tehnologia robotică, oamenii de știință pot reduce impactul mediului al roboților, în special în aplicații în care dispozitivele de unică folosință sunt predominante. Succesul acestei cercetări deschide calea pentru explorarea unor componente biodegradabile suplimentare și proiectarea unor roboți complet ecologici.

Aplicațiile potențiale pentru roboții moi biodegradabili se extind dincolo de colectarea deșeurilor și operațiile medicale. Acești roboți ar putea fi utilizați în monitorizarea mediului, agricultură și chiar electronice de consum, reducând astfel încărcătura asupra gropilor de gunoi și contribuind la o economie circulară.

Pe măsură ce cercetarea continuă, echipa planifică să rafineze în continuare materialele și procesele utilizate în crearea mușchilor artificiali biodegradabili. Prin colaborarea cu alți experți în știința materialelor și robotică, aceștia își propun să dezvolte tehnologii noi care vor impulsiona domeniul roboticii moi durabile. Cercetătorii speră să încurajeze adoptarea materialelor biodegradabile în diverse industrii, promovând astfel o abordare mai ecologică a dezvoltării tehnologiei.

Lucrarea de pionierat a acestei echipe internaționale de cercetători reprezintă un pas vital către un viitor mai durabil pentru robotică moale. Prin demonstrarea viabilității și performanței mușchilor artificiali biodegradabili, aceștia deschid calea pentru noi progrese în tehnologia verde și inspiră comunitatea de roboți să ia în considerare alternative durabile pentru creațiile lor.