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 fört hållbarhet till framkanten av mjuk robotik.

Tillsammans har de utvecklat en fullständigt biologiskt nedbrytbar, högpresterande konstgjord muskel gjord av gelatin, olja och bioplastics. Forskarna visade potentialen för denna innovativa teknik genom att använda den för att animera en robotisk grippare, särskilt fördelaktig för engångstillämpningar som avfallssamling. Dessa konstgjorda muskler kan kastas i kommunala kompostbehållare och bryts fullständigt ned inom sex månader under övervakade förhållanden.

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

“Biologiskt nedbrytbara delar kan erbjuda en hållbar lösning särskilt för engångstillämpningar, som för medicinska operationer, sök- och räddningsuppdrag och hantering av farliga ämnen. Istället för att ackumuleras på soptippar i slutet av produkten, kan framtidens robotar bli kompost för framtida växttillväxt.”

Utveckling av Biologiskt Nedbrytbara HASEL Konstgjorda Muskler

Forskarna skapade en elektriskt driven konstgjord muskel kallad HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). HASELs är oljefyllda plastpåsar delvis täckta av ett par elektriska ledare kallade elektroder. När en hög spänning appliceras över elektrodparet, byggs motsatta laddningar upp, vilket genererar en kraft som trycker oljan till en elektrod-fri region av påsen. Denna olje-migration resulterar i att påsen drar ihop sig, liknande en riktig muskel. För att HASELs ska kunna deformeras, måste materialen som används för plastpåsen och oljan vara elektriska isolatorer som kan hantera de höga elektriska påfrestningarna som genereras av de laddade elektroderna.

En viktig utmaning var att utveckla en ledande, mjuk och fullständigt biologiskt nedbrytbar elektrod. Forskare vid JKU skapade en recept som använder en blandning av biopolymer gelatin och salter som kunde direkt gjutas på HASEL-aktuatorer.

David Preninger, co-första författare till detta projekt och en forskare vid Soft Matter Physics Division vid JKU, förklarar:

“Det var viktigt för oss att skapa elektroder som är lämpliga för dessa högpresterande tillämpningar, men med lättillgängliga komponenter och en tillgänglig tillverkningsstrategi.”

Bildkälla: Max Plank Institute

Elektrisk Prestanda och Biologiskt Nedbrytbara Plast

Nästa hinder var att identifiera lämpliga biologiskt nedbrytbara plaster. Ingenjörer prioriterar vanligtvis faktorer som nedbrytningshastighet och mekanisk styrka över elektrisk isolering, ett krav för HASELs som opererar vid flera tusen volt. Men vissa bioplaster visade sig ha bra materialkompatibilitet med gelatinelektroder och tillräcklig elektrisk isolering.

En specifik materialkombination tillät HASELs att motstå 100 000 aktueringscykler vid flera tusen volt utan elektriskt fel eller prestandaförlust. Dessa biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler är elektromekaniskt konkurrenskraftiga med sina icke-biologiskt nedbrytbara motsvarigheter, vilket främjar hållbarhet i konstgjord muskelteknik.

Ellen Rumley förklarar den potentiella påverkan av deras forskning:

“Genom att visa den utmärkta prestandan hos detta nya materialsystem, ger vi en incitament för robotiksamhället att överväga biologiskt nedbrytbara material som en livskraftig materialalternativ för att bygga robotar. Det faktum att vi uppnådde så bra resultat med bioplaster ger förhoppningsvis också motivation för andra materialforskare att skapa nya material med optimerad elektrisk prestanda i åtanke.”

Framtida Perspektiv och Tillämpningar

Utvecklingen av biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler öppnar nya dörrar för framtidens robotik. Genom att inkorporera hållbara material i robotteknik kan forskare minska den miljömässiga påverkan av robotar, särskilt i tillämpningar där engångsenheter är vanliga. Framgången i denna forskning banar vägen för utforskningen av fler biologiskt nedbrytbara komponenter och designen av helt ekologiskt vänliga robotar.

Potentiella tillämpningar för biologiskt nedbrytbara mjuka robotar sträcker sig bortom avfallssamling och medicinska operationer. Dessa robotar kan användas i miljöövervakning, jordbruk och till och med konsumentelektronik, vilket minskar belastningen på soptippar och bidrar till en cirkulär ekonomi.

Medan forskningen fortsätter, planerar teamet att ytterligare förbättra materialen och processerna som används för att skapa biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler. Genom att samarbeta med andra experter inom materialvetenskap och robotik, syftar de till att utveckla nya tekniker som kommer att driva fältet för hållbar mjuk robotik framåt. Forskare hoppas på att uppmuntra antagandet av biologiskt nedbrytbara material i olika industrier, vilket därmed främjar en mer miljömedveten tillvägagångssätt för teknikutveckling.

Det banbrytande arbetet av detta internationella forskningsteam representerar ett viktigt steg mot en mer hållbar framtid för mjuk robotik. Genom att demonstrera livskraften och prestandan hos biologiskt nedbrytbara konstgjorda muskler, banar de vägen för ytterligare framsteg inom grönteknologi och inspirerar robotiksamhället att överväga hållbara alternativ för sina skapelser.