Новаторская 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) в Боулдере, США, привнесла устойчивость в передний план 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 мусора. 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 робототехнических материалов в 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 маслоnapолненные пластиковые пакеты, частично покрытые парой электрических проводников, 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 настоящей 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 разработка проводящего, мягкого и полностью биоразлагаемого электрода. Исследователи в JKU создали рецепт, используя смесь биополимера желатина и солей, который можно было直接 отлить на актуаторы HASEL.

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

“Для нас было важно создать электроды, подходящие для этих высокопроизводительных применений, но с доступными компонентами и доступной стратегией 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, которые работают 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 работы при нескольких тысячах вольт без электрического отказа 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 исследования:

“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 хороших результатов с биопластиками, надеемся, также мотивирует других материаловедов создавать новые материалы с оптимизированной электрической производительностью.”

Перспективы и применения в будущем

Разработка биоразлагаемых искусственных мышц открывает новые возможности для будущего робототехники. Включая устойчивые материалы в робототехническую технологию, ученые могут уменьшить 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 распространяются за пределы сбора мусора и медицинских операций. Эти роботы можно использовать 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 зеленой технологии и вдохновляют сообщество робототехники рассматривать устойчивые альтернативы для своих творений.