Öncü Sürdürülebilir Yumuşak Robotik: Daha Yeşil Bir Gelecek için Biyobozunur Yapay Kaslar

Almanya, Stuttgart'taki Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü'nden (MPI-IS), Linz, Avusturya'daki Johannes Kepler Üniversitesi'nden (JKU) ve ABD, Boulder'daki Colorado Üniversitesi'nden (CU Boulder) uluslararası bir araştırma ekibi, sürdürülebilirliği yumuşak robot teknolojisinin ön saflarına taşıdı.

Birlikte, tamamen biyolojik olarak parçalanabilen, jelatin, yağ ve biyoplastiklerden yapılmış yüksek performanslı bir yapay kas geliştirdiler. Bilim adamları, bu yenilikçi teknolojinin potansiyelini, özellikle atık toplama gibi tek kullanımlık uygulamalar için faydalı olan robotik bir kavrayıcıyı canlandırmak için kullanarak sergilediler. Bu yapay kaslar, belediye kompost kutularına atılabilir ve izlenen koşullar altında altı ay içinde tamamen biyolojik olarak parçalanabilir.

Ellen Rumley, CU Boulder'dan MPI-IS Robotik Malzeme Departmanında çalışan misafir bilim insanı ve kâğıt, yumuşak robotikte sürdürülebilir malzemelerin önemini vurguluyor:

"Biyobozunur parçalar, özellikle tıbbi operasyonlar, arama kurtarma görevleri ve tehlikeli maddelerin manipülasyonu gibi tek kullanımlık uygulamalar için sürdürülebilir bir çözüm sunabilir. Geleceğin robotları, ürün ömrünün sonunda çöplüklerde birikmek yerine, gelecekteki bitki büyümesi için kompost haline gelebilir.”

Biyobozunur HASEL Yapay Kaslarının Geliştirilmesi

Araştırmacılar, HASEL (Hydraulally Amplified Self-healing Electrostatic Actuators) adlı elektrikle çalışan yapay bir kas yarattılar. HASEL'ler, elektrot adı verilen bir çift elektrik iletkeni ile kısmen kaplanmış, yağ dolu plastik torbalardır. Elektrot çiftine yüksek voltaj uygulandığında, zıt yükler birikerek yağı kesenin elektrotsuz bölgesine iten bir kuvvet oluşturur. Bu yağ göçü, gerçek bir kasa benzer şekilde kesenin kasılmasına neden olur. HASEL'lerin deforme olabilmesi için, plastik kese ve yağ için kullanılan malzemelerin, yüklü elektrotlar tarafından üretilen yüksek elektrik gerilimlerini sürdürebilecek elektrik yalıtkanları olması gerekir.

Temel zorluk, iletken, yumuşak ve tamamen biyolojik olarak parçalanabilen bir elektrot geliştirmekti. JKU'daki araştırmacılar, doğrudan HASEL aktüatörlerine dökülebilen bir biyopolimer jelatin ve tuz karışımı kullanarak bir tarif oluşturdu.

Bu projenin ortak ilk yazarı ve JKU'daki Yumuşak Madde Fiziği Bölümü'nde bir bilim adamı olan David Preninger şöyle açıklıyor:

"Bu yüksek performanslı uygulamalara uygun elektrotlar yapmak bizim için önemliydi, ancak hazır bileşenler ve erişilebilir bir üretim stratejisi vardı."

 

Elektriksel Performans ve Biyobozunur Plastikler

Bir sonraki engel, uygun biyolojik olarak parçalanabilen plastikleri belirlemekti. Mühendisler tipik olarak bozulma hızı ve mekanik güç gibi faktörlere, birkaç bin voltta çalışan HASEL'ler için bir gereklilik olan elektrik yalıtımına göre öncelik verir. Bununla birlikte, bazı biyoplastikler, jelatin elektrotlarla iyi bir malzeme uyumluluğu ve yeterli elektrik yalıtımı göstermiştir.

Belirli bir malzeme kombinasyonu, HASEL'lerin elektrik arızası veya performans kaybı olmadan birkaç bin voltta 100,000 çalıştırma döngüsüne dayanmasına olanak sağladı. Bu biyolojik olarak parçalanabilen yapay kaslar, yapay kas teknolojisinde sürdürülebilirliği teşvik ederek, biyolojik olarak parçalanamayan muadilleriyle elektromekanik olarak rekabet edebilir.

Ellen Rumley, araştırmalarının etkisini şöyle açıklıyor:

"Bu yeni malzeme sisteminin olağanüstü performansını göstererek, robotik topluluğuna, biyolojik olarak parçalanabilen malzemeleri robot inşa etmek için uygun bir malzeme seçeneği olarak değerlendirmeleri için bir teşvik veriyoruz. Biyo-plastiklerle bu kadar harika sonuçlar elde etmiş olmamız, umarım diğer malzeme bilimcilerini de optimize edilmiş elektrik performansı göz önünde bulundurularak yeni malzemeler yaratma konusunda motive eder."

Gelecek Beklentileri ve Uygulamalar

Biyolojik olarak parçalanabilen yapay kasların geliştirilmesi, robotiğin geleceği için yeni kapılar açıyor. Bilim adamları, sürdürülebilir malzemeleri robot teknolojisine dahil ederek, özellikle tek kullanımlık cihazların yaygın olduğu uygulamalarda robotların çevresel etkisini azaltabilir. Bu araştırmanın başarısı, biyolojik olarak daha fazla parçalanabilen bileşenlerin keşfedilmesinin ve tamamen çevre dostu robotların tasarlanmasının yolunu açıyor.

Biyolojik olarak parçalanabilen yumuşak robotlar için potansiyel uygulamalar, atık toplama ve tıbbi operasyonların ötesine uzanır. Bu robotlar, çevresel izleme, tarım ve hatta tüketici elektroniğinde kullanılabilir, çöplüklerdeki yükü azaltabilir ve döngüsel bir ekonomiye katkıda bulunabilir.

Araştırma devam ederken ekip, biyolojik olarak parçalanabilen yapay kaslar oluşturmak için kullanılan malzemeleri ve süreçleri daha da iyileştirmeyi planlıyor. Diğer malzeme bilimi ve robotik uzmanlarıyla işbirliği yaparak, sürdürülebilir yumuşak robotik alanını ileriye taşıyacak yeni teknolojiler geliştirmeyi amaçlıyorlar. araştırmacılar, çeşitli endüstrilerde biyolojik olarak parçalanabilen malzemelerin benimsenmesini teşvik etmeyi ve böylece teknoloji geliştirmeye daha çevre bilincine sahip bir yaklaşımı teşvik etmeyi umuyor.

Bu uluslararası araştırma ekibinin çığır açan çalışması, yumuşak robot teknolojisi için daha sürdürülebilir bir geleceğe yönelik hayati bir adımı temsil ediyor. Biyobozunur yapay kasların uygulanabilirliğini ve performansını göstererek, yeşil teknolojide daha fazla ilerlemenin yolunu açıyor ve robotik topluluğuna yaratımları için sürdürülebilir alternatifler düşünmeleri için ilham veriyorlar.