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

En internationell forskargrupp från Max Planck-institutet för intelligenta system (MPI-IS) i Stuttgart, Tyskland, Johannes Kepler-universitetet (JKU) i Linz, Österrike, och University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, har tagit hållbarhet till framkant inom mjuk robotik.

Tillsammans har de utvecklat en fullständigt biologiskt nedbrytbar, högpresterande konstgjord muskel gjord av gelatin, olja och bioplaster. Forskarna visade potentialen för denna innovativa teknik genom att använda den för att animering av en robotisk grippare, särskilt användbar 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 avdelningen för robotiska material vid MPI-IS och medförfattare till artikeln, betonar vikten av hållbara material i mjuk robotik:

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

Utveckling av biologiskt nedbrytbara HASEL-konstgjorda muskler

Forskarna skapade en elektriskt driven konstgjord muskel som kallas HASEL (Hydrauliskt förstärkt självläkande elektrostatiska aktuatorer). 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 oljan till en elektrod-fri region av påsen. Denna olje-migration resulterar i att påsen kontraherar, liknande en riktig muskel. För att HASEL 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, medförfattare till detta projekt och forskare vid avdelningen för mjuk materiaalfysik 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 Planck-institutet

Elektrisk prestanda och biologiskt nedbrytbara plaster

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

En specifik materialkombination tillät HASEL 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 inom konstgjord muskelteknik.

Ellen Rumley kommenterar forskningens betydelse:

“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 robotikens framtid. Genom att integrera hållbara material i robotteknik kan forskare minska miljöpåverkan från robotar, särskilt i tillämpningar där engångsenheter är vanliga. Forskningens framgång banar väg för att utforska fler biologiskt nedbrytbara komponenter och designa helt ekologiskt hållbara 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 deponi och bidrar till en cirkulär ekonomi.

Såsom forskningen fortskrider 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 teknologier som kommer att driva området för hållbar mjuk robotik framåt. Forskarna hoppas att uppmuntra antagandet av biologiskt nedbrytbara material i olika branscher, vilket främjar en mer miljömedveten tillvägagångssätt för teknikutveckling.

Den banbrytande arbetet av detta internationella forskarteam 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 väg för ytterligare framsteg inom grönt teknologi och inspirerar robotiksamhället att överväga hållbara alternativ för sina skapelser.