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, USA, 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 municipale 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 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 operații medicale, misiuni de căutare și salvare și manipularea substanțelor periculoase. În loc să se acumuleze în gropile de gunoi la sfârșitul ciclului de viață al produsului, roboții viitorului ar putea deveni compost pentru creșterea plantelor viitoare.”

Dezvoltarea Mușchilor Artificiali Biodegradabili HASEL

Cercetătorii au creat un mușchi artificial electric, numit HASEL (Actuatori Electrostatici Auto-vindecători, Amplificați Hidraulic). HASEL-urile sunt punguțe de plastic umplute cu ulei, parțial acoperite de o pereche de conductori electrici, numiți electrozi. Atunci când se aplică un voltaj ridicat peste perechea de electrozi, se acumulează sarcini opuse, generând o forță care împinge uleiul către o regiune a punguței fără electrozi. Această migrare a uleiului duce la contracția punguței, similară cu un mușchi real. Pentru ca HASEL-urile să se deformeze, materialele utilizate pentru punguța 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 Divizia 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.”
 

Sursă Imagine: Max Plank Institute

Performanța Electrică și Plasticele Biodegradabile

Următoarea provocare a fost identificarea unor plastice biodegradabile adecvate. Inginerii obișnuiesc să prioritizeze factori precum rata de degradare și rezistența mecanică în detrimentul izolației electrice, o cerință pentru HASEL-urile care funcționează la mii de volți. Cu toate acestea, anumite bioplastice au demonstrat o compatibilitate bună cu electrozii de gelatină și o izolație electrică suficientă.

O anumită combinație de materiale a permis HASEL-urilor să suporte 100.000 de cicluri de activare la mii de volți, fără eșecuri electrice sau pierderi de performanță. Acești mușchi artificiali biodegradabili sunt competitivi din punct de vedere electro-mecanic 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 să creeze materiale noi, cu performanță electrică optimizată.”

Perspective și Aplicații Viitoare

Dezvoltarea mușchilor artificiali biodegradabili deschide noi uși pentru viitorul roboticii. Prin integrarea materialelor durabile în tehnologia robotică, oamenii de știință pot reduce impactul asupra mediului al roboților, în special în aplicații în care dispozitivele de unică folosință sunt prevalente. 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 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, ei 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 de cercetare internaționale reprezintă un pas vital către un viitor mai durabil pentru robotică moale. Prin demonstrarea viabilității și performanței mușchilor artificiali biodegradabili, ei deschid calea pentru progrese suplimentare în tehnologia verde și inspiră comunitatea de roboți să ia în considerare alternative durabile pentru creațiile lor.