Пионерская устойчивая мягкая робототехника: биоразлагаемые искусственные мышцы для более зеленого будущего

Международная команда исследователей из Института интеллектуальных систем имени Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте, Германия, Университета Иоганна Кеплера (JKU) в Линце, Австрия, и Университета Колорадо (CU Boulder), Боулдер, США, привнесла устойчивость в передовые технологии мягкой робототехники.

Вместе они разработали полностью биоразлагаемую, высокопроизводительную искусственную мышцу, изготовленную из желатина, масла и биопластиков. Ученые продемонстрировали потенциал этой инновационной технологии, используя ее для анимации роботизированного захватывающего устройства, особенно полезного для одноразовых применений, таких как сбор отходов. Эти искусственные мышцы можно утилизировать в муниципальных компостных контейнерах и полностью разлагаются в течение шести месяцев в контролируемых условиях.

Эллен Рамли, посетивший ученый из CU Boulder, работающий в отделе робототехники материалов MPI-IS и соавтор статьи, подчеркивает важность устойчивых материалов в мягкой робототехнике:

“Биоразлагаемые детали могли бы предложить устойчивое решение, особенно для одноразовых применений, таких как медицинские операции, поисково-спасательные миссии и обращение с опасными веществами. Вместо того, чтобы накапливаться на свалках в конце срока службы продукта, роботы будущего могли бы стать компостом для роста растений в будущем”.

Разработка биоразлагаемых искусственных мышц HASEL

Исследователи создали электрически управляемую искусственную мышцу под названием HASEL (Гидравлически усиленные самоисцеляющиеся электростатические актуаторы). HASEL представляет собой маслонасыщенные пластиковые пакеты, частично покрытые парой электродов, называемых электродами. Когда высокое напряжение прикладывается к паре электродов, противоположные заряды накапливаются, генерируя силу, которая толкает масло в область пакета, свободную от электродов. Это перемещение масла приводит к сокращению пакета, подобно реальной мышце. Для деформации HASEL материалов, используемых для пластикового пакета и масла, должны быть электрическими изоляторами, способными выдерживать высокие электрические напряжения, генерируемые заряженными электродами.

Одной из ключевых задач было разработать проводящий, мягкий и полностью биоразлагаемый электрод. Исследователи в JKU создали рецепт на основе смеси биополимера желатина и солей, который можно было直接 отлить на актуаторы HASEL.

Дэвид Пренингер, соавтор этого проекта и ученый в отделе физики мягких материалов JKU, объясняет:

“Для нас было важно создать электроды, подходящие для этих высокопроизводительных применений, но с помощью легко доступных компонентов и доступной стратегии изготовления”.

Источник изображения: Институт Макса Планка

Электрические характеристики и биоразлагаемые пластики

Следующим препятствием было определение подходящих биоразлагаемых пластиков. Инженеры обычно отдают приоритет факторам, таким как скорость разложения и механическая прочность, над электрической изоляцией, требованием для HASEL, работающих при нескольких тысячах вольт. Однако определенные биопластики продемонстрировали хорошую совместимость материалов с электродами из желатина и достаточную электрическую изоляцию.

Одна конкретная комбинация материалов позволила HASEL выдерживать 100 000 циклов актуации при нескольких тысячах вольт без электрической неисправности или потери производительности. Эти биоразлагаемые искусственные мышцы электромеханически конкурируют со своими не биоразлагаемыми аналогами, способствуя устойчивости в технологии искусственных мышц.

Эллен Рамли подробно рассказывает о влиянии их исследований:

“Показав исключительную производительность этой новой системы материалов, мы даем стимул сообществу робототехники рассматривать биоразлагаемые материалы как жизнеспособный вариант для строительства роботов. Тот факт, что мы достигли таких отличных результатов с биопластиками, надеемся, также мотивирует других материаловедов создавать новые материалы с оптимизированной электрической производительностью”.

Перспективы будущего и применения

Разработка биоразлагаемых искусственных мышц открывает новые двери для будущего робототехники. Включая устойчивые материалы в робототехнические технологии, ученые могут снизить воздействие роботов на окружающую среду, особенно в применениях, где распространены одноразовые устройства. Успех этого исследования открывает путь для изучения более биоразлагаемых компонентов и разработки полностью экологически чистых роботов.

Потенциальные применения биоразлагаемых мягких роботов выходят за рамки сбора отходов и медицинских операций. Эти роботы могут быть использованы в мониторинге окружающей среды, сельском хозяйстве и даже потребительской электронике, снижая нагрузку на свалки и способствуя круговой экономике.

По мере продолжения исследований команда планирует дальнейшее усовершенствование материалов и процессов, используемых при создании биоразлагаемых искусственных мышц. Сотрудничая с другими экспертами в области материаловедения и робототехники, они стремятся разработать новые технологии, которые продвинут область устойчивой мягкой робототехники вперед. Исследователи надеются поощрить принятие биоразлагаемых материалов в различных отраслях, тем самым способствуя более экологически сознательному подходу к разработке технологий.

Новаторская работа этой международной исследовательской команды представляет собой важный шаг на пути к более устойчивому будущему для мягкой робототехники. Демонстрируя жизнеспособность и производительность биоразлагаемых искусственных мышц, они открывают путь для дальнейших достижений в зеленых технологиях и вдохновляют сообщество робототехники на рассмотрение устойчивых альтернатив для своих творений.