Banbrytande hållbar mjuk robotik: biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler för en grönare framtid

Ett internationellt team av forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) i Stuttgart, Tyskland, Johannes Kepler University (JKU) i Linz, Österrike, och University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, har förde hållbarhet i framkant av mjuk robotik.

Tillsammans utvecklade de en helt biologiskt nedbrytbar, högpresterande konstgjord muskel gjord av gelatin, olja och bioplast. Forskarna visade upp potentialen hos denna innovativa teknik genom att använda den för att animera en robotgripare, särskilt fördelaktig för engångsapplikationer som avfallsinsamling. Dessa konstgjorda muskler kan slängas i kommunala kompostbehållare och helt biologiskt nedbrytas inom sex månader under övervakade förhållanden.

Ellen Rumley, en gästforskare från CU Boulder som arbetar på Robotic Materials Department vid MPI-IS och medförfattare till papper, betonar vikten av hållbara material i mjuk robotik:

"Biologiskt nedbrytbara delar kan erbjuda en hållbar lösning speciellt för engångsapplikationer, som för medicinska operationer, sök- och räddningsuppdrag och manipulering av farliga ämnen. Istället för att samlas på deponier i slutet av produktens livslängd kan framtidens robotar bli kompost för framtida växttillväxt."

Utveckla biologiskt nedbrytbara konstgjorda HASEL-muskler

Forskarna skapade en elektriskt driven konstgjord muskel som heter HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASEL är oljefyllda plastpåsar delvis täckta av ett par elektriska ledare som kallas elektroder. När en hög spänning appliceras över elektrodparet, byggs motsatta laddningar upp, vilket genererar en kraft som trycker olja till ett elektrodfritt område av påsen. Denna oljemigrering resulterar i att påsen drar ihop sig, liknande en riktig muskel. För att HASEL ska deformeras måste materialen som används för plastpåsen och oljan vara elektriska isolatorer som klarar av de höga elektriska påfrestningar som genereras av de laddade elektroderna.

En viktig utmaning var att utveckla en ledande, mjuk och helt biologiskt nedbrytbar elektrod. Forskare vid JKU skapade ett recept med en blandning av biopolymergelatin och salter som kunde gjutas direkt på HASEL-ställdon.

David Preninger, medförsta författare för detta projekt och en forskare vid Soft Matter Physics Division vid JKU, förklarar:

"Det var viktigt för oss att göra elektroder lämpliga för dessa högpresterande applikationer, men med lättillgängliga komponenter och en tillgänglig tillverkningsstrategi."

 

Elektrisk prestanda och biologiskt nedbrytbar plast

Nästa hinder var att identifiera lämpliga biologiskt nedbrytbara plaster. Ingenjörer prioriterar vanligtvis faktorer som nedbrytningshastighet och mekanisk styrka framför elektrisk isolering, ett krav för HASELs som fungerar på flera tusen volt. Vissa bioplaster visade dock god materialkompatibilitet med gelatinelektroder och tillräcklig elektrisk isolering.

En specifik materialkombination gjorde att HASELs klarade 100,000 XNUMX aktiveringscykler vid flera tusen volt utan elektriska fel eller prestandaförluster. Dessa biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler är elektromekaniskt konkurrenskraftiga med sina icke-biologiskt nedbrytbara motsvarigheter, vilket främjar hållbarhet inom konstgjord muskelteknologi.

Ellen Rumley utvecklar effekten av deras forskning:

"Genom att visa den enastående prestandan hos detta nya materialsystem, ger vi ett incitament för robotsamhället att överväga biologiskt nedbrytbara material som ett hållbart materialalternativ för att bygga robotar. Det faktum att vi uppnådde så bra resultat med bioplast motiverar förhoppningsvis även andra materialvetare att skapa nya material med optimerad elektrisk prestanda i åtanke.”

Framtidsutsikter och tillämpningar

Utvecklingen av biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler öppnar nya dörrar för framtidens robotik. Genom att integrera hållbara material i robotteknik kan forskare minska miljöpåverkan från robotar, särskilt i applikationer där engångsenheter är vanliga. Framgången med denna forskning banar väg för utforskning av mer biologiskt nedbrytbara komponenter och design av helt miljövänliga robotar.

Potentiella tillämpningar för biologiskt nedbrytbara mjuka robotar sträcker sig utöver avfallsinsamling och medicinsk verksamhet. Dessa robotar skulle kunna användas inom miljöövervakning, jordbruk och till och med konsumentelektronik, vilket minskar bördan på deponier och bidrar till en cirkulär ekonomi.

När forskningen fortsätter planerar teamet att ytterligare förfina de material och processer som används för att skapa biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler. Genom att samarbeta med andra experter inom materialvetenskap och robotik syftar de till att utveckla ny teknik som kommer att driva fältet hållbar mjuk robotik framåt. forskare hoppas kunna uppmuntra antagandet av biologiskt nedbrytbara material i olika industrier, och därigenom främja ett mer miljömedvetet förhållningssätt till teknikutveckling.

Det banbrytande arbetet i detta internationella forskarlag representerar ett viktigt steg mot en mer hållbar framtid för mjuk robotik. Genom att demonstrera livskraften och prestanda hos biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler banar de väg för ytterligare framsteg inom grön teknik och inspirerar robotsamhället att överväga hållbara alternativ för sina skapelser.