Новаторская устойчивая мягкая робототехника: биоразлагаемые искусственные мышцы для более экологичного будущего

Международная группа исследователей из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте, Германия, Университета Иоганна Кеплера (JKU) в Линце, Австрия, и Университета Колорадо (CU Boulder), Боулдер, США, выдвинула устойчивость на передний план мягкой робототехники.

Вместе они разработали полностью биоразлагаемую высокопроизводительную искусственную мышцу из желатина, масла и биопластика. Ученые продемонстрировали потенциал этой инновационной технологии, используя ее для анимации роботизированного захвата, что особенно полезно для одноразовых приложений, таких как сбор мусора. Эти искусственные мышцы можно выбрасывать в муниципальные мусорные баки для компоста и полностью биоразлагать в течение шести месяцев при контролируемых условиях.

Эллен Рамли, приглашенный ученый из Калифорнийского университета в Боулдере, работающая в отделе робототехнических материалов в MPI-IS и соавтор первого исследования. бумаги, подчеркивает важность экологически чистых материалов в мягкой робототехнике:

«Биоразлагаемые детали могут предложить устойчивое решение, особенно для одноразовых приложений, таких как медицинские операции, поисково-спасательные миссии и манипуляции с опасными веществами. Вместо того, чтобы накапливаться на свалках в конце срока службы продукта, роботы будущего могут стать компостом для будущего роста растений».

Разработка биоразлагаемых искусственных мышц HASEL

Исследователи создали искусственную мышцу с электрическим приводом под названием HASEL (гидравлически усиленные самовосстанавливающиеся электростатические приводы). HASEL представляют собой заполненные маслом пластиковые пакеты, частично покрытые парой электрических проводников, называемых электродами. Когда на пару электродов подается высокое напряжение, противоположные заряды накапливаются, создавая силу, которая выталкивает масло в свободную от электродов область кармана. Эта миграция масла приводит к сокращению мешочка, подобно настоящей мышце. Чтобы HASEL деформировались, материалы, используемые для пластикового пакета и масла, должны быть электрическими изоляторами, способными выдерживать высокие электрические напряжения, создаваемые заряженными электродами.

Ключевой задачей была разработка проводящего, мягкого и полностью биоразлагаемого электрода. Исследователи из JKU создали рецепт, используя смесь биополимерного желатина и солей, которую можно было напрямую наливать на приводы HASEL.

Дэвид Пренингер, соавтор этого проекта и ученый из отдела физики мягкого вещества JKU, объясняет:

«Для нас было важно сделать электроды подходящими для этих высокопроизводительных приложений, но с легкодоступными компонентами и доступной стратегией производства».

 

Электрические характеристики и биоразлагаемые пластмассы

Следующим препятствием было определение подходящего биоразлагаемого пластика. Инженеры обычно отдают предпочтение таким факторам, как скорость деградации и механическая прочность, а не электрической изоляции, что является требованием для HASEL, работающих при напряжении в несколько тысяч вольт. Однако некоторые биопластики продемонстрировали хорошую совместимость материалов с желатиновыми электродами и достаточную электрическую изоляцию.

Одна конкретная комбинация материалов позволила HASEL выдержать 100,000 XNUMX циклов срабатывания при напряжении в несколько тысяч вольт без электрических сбоев или потери производительности. Эти биоразлагаемые искусственные мышцы электромеханически конкурентоспособны со своими небиоразлагаемыми аналогами, что способствует устойчивости технологии искусственных мышц.

Эллен Рамли подробно рассказывает о влиянии своего исследования:

«Показывая выдающиеся характеристики этой новой системы материалов, мы даем стимул сообществу робототехники рассматривать биоразлагаемые материалы как жизнеспособный вариант материала для создания роботов. Мы надеемся, что тот факт, что мы достигли таких отличных результатов с биопластиками, также мотивирует других ученых-материаловедов создавать новые материалы с оптимизированными электрическими характеристиками».

Будущие перспективы и приложения

Разработка биоразлагаемых искусственных мышц открывает новые двери для будущего робототехники. Включая экологичные материалы в робототехнику, ученые могут уменьшить воздействие роботов на окружающую среду, особенно в приложениях, где преобладают одноразовые устройства. Успех этого исследования прокладывает путь к изучению более биоразлагаемых компонентов и разработке полностью экологически чистых роботов.

Потенциальные области применения биоразлагаемых мягких роботов выходят за рамки сбора отходов и медицинских операций. Эти роботы могут использоваться в мониторинге окружающей среды, сельском хозяйстве и даже в бытовой электронике, уменьшая нагрузку на свалки и способствуя экономике замкнутого цикла.

По мере продолжения исследований команда планирует дополнительно совершенствовать материалы и процессы, используемые при создании биоразлагаемых искусственных мышц. Сотрудничая с другими экспертами в области материаловедения и робототехники, они стремятся разрабатывать новые технологии, которые будут способствовать развитию устойчивой мягкой робототехники. Исследователи надеются стимулировать использование биоразлагаемых материалов в различных отраслях промышленности, способствуя тем самым более экологичному подходу к развитию технологий.

Новаторская работа этой международной исследовательской группы представляет собой жизненно важный шаг на пути к более устойчивому будущему мягкой робототехники. Демонстрируя жизнеспособность и эффективность биоразлагаемых искусственных мышц, они прокладывают путь к дальнейшему развитию «зеленых» технологий и вдохновляют сообщество робототехники на поиск устойчивых альтернатив своим творениям.