Ingenjörer utvecklar elektronikfri robot som kan övervaka vattenförhållanden

Ett team av ingenjörer vid Duke University har utvecklat en ny elektronikfri, mjuk robot som kan spela en stor roll i att övervaka miljöförhållanden i framtiden. Roboten är formad som en trollslända och kan glida över vatten medan den reagerar på miljöförhållanden som pH, temperatur och närvaro av olja.

Den nya principdemonstrationen presenterades i tidskriften Advanced Intelligent Systems den 25 mars.

Mjuka robotar fortsätter att utvecklas och förbättras, och de ökar i betydelse tack vare sin flexibilitet. De kan hantera ömtåliga föremål som biologiska vävnader, och de kan passa in i trängre utrymmen jämfört med andra styva robotar.

Shyni Varghee, som är ansvarig för idén, är professor i biomedicinsk ingenjörskap, maskinteknik och materialvetenskap, samt ortopedisk kirurgi vid Duke.

Vardham Kumas är en doktorand i Varghese’s lab och första författare till artikeln.

“Jag fick ett e-postmeddelande från Shyni från flygplatsen där hon sa att hon hade en idé för en mjuk robot som använder ett självläkande hydrogel som hennes grupp tidigare har uppfunnit för att reagera och röra sig autonomt”, sa Kumar. “Men det var allt i e-postmeddelandet, och jag hörde inte av henne igen på flera dagar. Så idén låg och väntade tills jag hade tillräckligt med fri tid för att följa upp den, och Shyni sa att jag skulle gå vidare med den.”

Självläkande Hydrogel

Redan 2012 utvecklade Varghese’s lab ett självläkande hydrogel som kan reagera på förändringar i pH på bara några sekunder. En förändring i surhet orsakar att nya bindningar bildas i hydrogelen, och detta kan återställas när pH återgår till ursprungsnivån.

En del av Varghese’s nya idé var att använda hydrogelen på en mjuk robot för att möjliggöra att den kan färdas över vatten och upptäcka pH-förändringar på olika platser. Hon sökte efter ett sätt för labbet att komma med den här typen av robot som fungerar som en autonom miljösensor.

Tillsammans med Ung Hyun Ko, en postdoktorand i Varghese’s lab, designade Kumar en mjuk robot baserad på en fluga. Efter flera försök bestämde sig teamet för formen av en trollslända, och den utformades med ett nätverk av inre mikrokanaler som möjliggör att den kan kontrolleras med lufttryck.

Kroppen på den mjuka roboten är cirka 5,7 cm lång, och vingspannet är 3,6 cm. Den skapades genom att hälla silikon i en aluminiumform och sedan grädda den. Mjuk litografi användes för att skapa inre kanaler som anslöts till silikontuber.

https://www.youtube.com/watch?v=bTjZQMvagJ8&t=2s

DraBot

Den resulterande mjuka roboten kallades DraBot.

“Att få DraBot att reagera på lufttrycksstyrning över långa avstånd med hjälp av endast självaktivering utan någon elektronik var svårt”, sa Ko. “Det var definitivt den mest utmanande delen.”

DraBot kontrollerar lufttrycket som kommer in i dess vingar, och mikrokanalerna för sedan luften till främre vingarna. Den flyr sedan ut genom hål som är riktade direkt mot bakvingarna. DraBot kommer inte att röra sig om luftflödet blockeras av båda bakvingarna som är nere. Men om båda vingarna är uppe, rör den sig framåt.

Teamet utvecklade också ballongaktiverare för att ge mer kontroll, och de är belägna under var och en av bakvingarna nära robotens kropp. När dessa blåses upp, kröker vingen uppåt, och forskarna kan kontrollera var roboten går genom att ändra vilka vingar som är uppe eller nere.

“Vi var glada när vi kunde kontrollera DraBot, men det är baserat på levande saker”, sa Kumar. “Och levande saker rör sig inte bara runt på egen hand, de reagerar på sin omgivning.”

Teamet använde det självläkande hydrogelen genom att måla en uppsättning vingar med det, vilket gjorde DraBot känslig för förändringar i vattnets pH. Om det är för surt, smälter ena sidans främre vinge samman med bakvingen, vilket orsakar att roboten snurrar i en cirkel istället för att gå rakt. När pH återgår till en normal nivå, återställs hydrogelen och vingarna skiljs åt igen, vilket gör att DraBot kan bli fullt responsiv på kommandon.

Forskarna lade också till temperaturkänsliga material, vilket möjliggör att DraBot kan glida över vatten och suga upp olja med svampar. Färgen på svamparna ändras beroende på oljans färg, och när vattnet är för varmt, ändras färgen på robotens vingar också.

De nya utvecklingarna kan hjälpa till att bekämpa miljöproblem i framtiden. Till exempel kan en sådan robot upptäcka färskvattenförsurning, som påverkar olika geologiskt känsliga områden. Den kan också hjälpa till att upptäcka oljeutsläpp tidigt eller upptäcka tidiga tecken på röd tid och korallblekning.