Syntetiskt material låter mjuka robotar växa som växter

Ett team av forskare och ingenjörer vid University of Minnesota har utvecklat en växtinspirerad extruderingsprocess som möjliggör syntetiskt materialväxt, vilket kan göra det möjligt för mjuka robotar att växa som växter. Metoden är innovativ och ny, och de resulterande robotarna kunde navigera i trånga utrymmen, komplicerad terräng och till och med områden inom den mänskliga kroppen. 

Forskningen, som finansierades av National Science Foundation, publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 

Robotar som “växer” när de rör sig

Chris Ellison är en av huvudförfattarna till artikeln och professor vid University of Minnesota Twin Cities avdelning för kemiteknik och materialvetenskap. 

“Detta är första gången dessa koncept har demonstrerats i grunden”, sa Ellison. “Att utveckla nya tillverkningsmetoder är avgörande för vårt lands konkurrenskraft och för att ta fram nya produkter till människor. På robot-sidan används robotar allt mer i farliga, avlägsna miljöer, och det är i dessa områden som detta arbete kan ha en inverkan.” 

Mjuka robotar är robotar tillverkade av mjuka och formbara material istället för styva material, och dessa nya typer av mjuka växande robotar kan generera nytt material och “växa” när de rör sig. De kunde användas i en mängd olika tillämpningar och är särskilt användbara för att navigera i avlägsna områden som människor inte kan komma åt. Verkliga tillämpningar kunde inkludera inspektioner eller installation av underjordiska rör, eller navigering inom den mänskliga kroppen. 

De mjuka växande robotar som vi för närvarande har tillgång till lämnar ett spår av fast material efter sig, och de använder värme och/eller tryck för att omvandla materialet till en mer permanent struktur. Forskarna jämför detta med en 3D-skrivare, som matas med fast filament för att producera en formad produkt. Trots detta blir det mjuka materialet svårt när roboten måste röra sig runt hörn, vilket gör det svårt för robotarna att navigera vissa hinder. 

Utveckling av nya extruderingsmetoder 

För att lösa detta problem utvecklade teamet en ny extruderingsmetod. Den nya processen innebär att material pressas genom en öppning för att skapa en specifik form, och den möjliggör för roboten att skapa sitt syntetiska material från vätskor istället för fast material. 

Matthew Hausladen är första författare till artikeln och en doktorand vid University of Minnesota Twin Cities avdelning för kemiteknik och materialvetenskap. 

“Vi var verkligen inspirerade av hur växter och svampar växer”, sa Hausladen. “Vi tog idén att växter och svampar lägger till material i änden av sina kroppar, antingen vid rotspetsarna eller vid de nya skotten, och vi översatte det till ett ingenjörssystem.” 

Forskarna ville efterlikna processen med hur växter använder vatten för att transportera byggnadsblocken som omvandlas till fasta rötter när växten växer utåt. För att uppnå detta med syntetiskt material förlitade sig teamet på en teknik som kallas fotopolymerisation, som använder ljus för att omvandla flytande monomerer till ett fast material. Den mjuka roboten kan använda denna teknik för att lättare navigera runt hinder och hörn utan att behöva dra fast material. 

Potentiella verkliga tillämpningar

Teamet säger att den nya processen också kunde användas inom tillverkning, särskilt tillämpningar som använder värme, tryck och maskiner för att skapa och forma material som kanske inte behövs. 

“En mycket viktig del av detta projekt är att vi har materialforskare, kemitekniker och robotingenjörer alla involverade”, fortsatte Ellison. “Genom att kombinera all vår olika expertis har vi verkligen skapat något unikt i detta projekt, och jag är säker på att ingen av oss kunde ha gjort detta ensam. Detta är ett utmärkt exempel på hur samarbete möjliggör för forskare att lösa svåra grundläggande problem samtidigt som de har en teknisk inverkan.” 

Forskarteamet inkluderar också University of Minnesota avdelning för kemiteknik och materialvetenskap forskare Boran Zhao (postdoktorand) och Lorraine Francis (College of Science and Engineering Distinguished Professor); och University of Minnesota avdelning för maskinteknik forskare Tim Kowalewski (biträdande professor) och Matthew Kubala (doktorand).