วัสดุสังเคราะห์ช่วยให้หุ่นยนต์นิ่มเติบโตได้เหมือนพืช

ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจากมหาวิทยาลัยมินนิโซตาได้พัฒนากระบวนการอัดรีดที่ได้รับแรงบันดาลใจจากพืชและทำให้วัสดุสังเคราะห์เติบโตได้ ซึ่งอาจทำให้หุ่นยนต์นิ่มเติบโตได้เหมือนพืช วิธีการนี้เป็นนวัตกรรมใหม่ และหุ่นยนต์ที่ได้จากวิธีนี้อาจเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่แคบๆ และพื้นที่ที่ซับซ้อนได้ รวมถึงพื้นที่ภายในร่างกายมนุษย์

การวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation และได้รับการตีพิมพ์ใน Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

โรบอทที่ “เติบโต” เมื่อเคลื่อนที่

Chris Ellison เป็นหนึ่งในผู้เขียนหลักของบทความและเป็นศาสตราจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและวัสดุศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา วิทยาเขตทวินซิตีส์

“นี่เป็นครั้งแรกที่แนวคิดเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์อย่างพื้นฐาน” Ellison กล่าว “การสร้างวิธีการผลิตใหม่ๆ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการแข่งขันของประเทศและเพื่อนำผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ มาสู่ผู้คน ในด้านโรบอท โรบอทกำลังถูกใช้มากขึ้นในพื้นที่ที่อันตรายและห่างไกล และงานนี้อาจมีผลกระทบต่อพื้นที่เหล่านั้น”

โรบอทนุ่มเป็นโรบอทที่ทำจากวัสดุนุ่มและยืดหยุ่นแทนการใช้วัสดุแข็ง และโรบอทนุ่มที่เติบโตได้สามารถสร้างวัสดุใหม่และ “เติบโต” เมื่อเคลื่อนที่ได้ โรบอทเหล่านี้สามารถใช้ในการใช้งานต่างๆ และมีประโยชน์มากในการสำรวจพื้นที่ที่มนุษย์ไม่สามารถเข้าถึงได้ การใช้งานจริงอาจรวมถึงการตรวจสอบหรือติดตั้งท่อใต้ดิน หรือการเคลื่อนที่ภายในร่างกายมนุษย์

โรบอทนุ่มที่เติบโตได้ที่เรามีในปัจจุบันจะทิ้งรอยวัสดุแข็งไว้เบื้องหลัง และใช้ความร้อนและ/หรือแรงกดดันเพื่อเปลี่ยนวัสดุให้เป็นโครงสร้างที่มั่นคงมากขึ้น นักวิจัยเปรียบเทียบสิ่งนี้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งรับเส้นวัสดุแข็งเพื่อผลิตชิ้นงานที่มีรูปทรง อย่างไรก็ตาม วัสดุนิ่มจะจัดการได้ยากเมื่อหุ่นยนต์ต้องเลี้ยว จึงทำให้ผ่านสิ่งกีดขวางบางอย่างได้ยาก

การพัฒนาวิธีอัดรีดแบบใหม่

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมงานได้การพัฒนาวิธีอัดรีดแบบใหม่ วิธีการใหม่นี้เกี่ยวข้องกับการดันวัสดุผ่านช่องเปิดเพื่อสร้างรูปทรงเฉพาะ และช่วยให้โรบอทสามารถสร้างวัสดุสังเคราะห์จากของเหลวแทนของแข็ง

Matthew Hausladen เป็นผู้เขียนลำดับแรกของบทความและเป็นนักศึกษาปริญญาเอกในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและวัสดุศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา วิทยาเขตทวินซิตีส์

“เราถูกสร้างแรงบันดาลใจจากวิธีการเติบโตของพืชและรา” Hausladen กล่าว “เรานำแนวคิดที่พืชและราเติบโตโดยการเพิ่มวัสดุที่ปลายร่างกาย ไม่ว่าจะเป็นปลายรากหรือยอดอ่อน และเรานำแนวคิดนั้นมาใช้ในระบบวิศวกรรม”

นักวิจัยต้องการเลียนแบบกระบวนการที่พืชใช้น้ำในการขนส่งบล็อกการสร้างที่เปลี่ยนเป็นรากที่แข็งเมื่อพืชเติบโตออกไป เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ด้วยวัสดุสังเคราะห์ ทีมงานได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า photopolymerization ซึ่งใช้แสงในการเปลี่ยนโมโนเมอร์ของเหลวเป็นวัสดุแข็ง โรบอทนุ่มสามารถใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางและทางเลี้ยว ได้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องลากวัสดุแข็งตามหลัง

การประยุกต์ใช้จริงในโลก

ทีมงานกล่าวว่าวิธีการใหม่นี้สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตได้ โดยเฉพาะงานที่อาจไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อน ความดัน และเครื่องจักรในการสร้างและขึ้นรูปวัสดุอีกต่อไป

“สิ่งสำคัญมากในโครงการนี้คือเรามีนักวิทยาศาสตร์วัสดุ วิศวกรเคมี และวิศวกรโรบอทที่เกี่ยวข้อง” Ellison กล่าว “โดยการรวมทักษะและความเชี่ยวชาญของเราเข้าด้วยกัน เราได้นำสิ่งที่เป็นเอกลักษณ์มาสู่โครงการนี้ และผมมั่นใจว่าไม่มีใครสามารถทำสิ่งนี้ได้เพียงลำพัง โครงการนี้เป็นตัวอย่างที่ดีของการทำงานร่วมกันระหว่างนักวิทยาศาสตร์ในการแก้ไขปัญหาพื้นฐานที่ยากลำบากและสร้างผลกระทบทางเทคโนโลยี”

ทีมนักวิจัยยังรวมถึงนักวิจัยจากภาควิชาวิศวกรรมเคมีและวัสดุศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา วิทยาเขตทวินซิตีส์ Boran Zhao (นักวิจัยหลังปริญญาเอก) และ Lorraine Francis (ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่มีชื่อเสียง) และนักวิจัยจากภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา Tim Kowalewski (รองศาสตราจารย์) และ Matthew Kubala (นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา)