Піонерська робота в галузі сталого м’якого робототехніки: Біодеградабельні штучні м’язи для більш екологічного майбутнього

Міжнародна команда дослідників з Інституту інтелектуальних систем імені Макса Планка (MPI-IS) у Штутгарті, Німеччина, Університету Йоганна Кеплера (JKU) у Лінці, Австрія, та Університету Колорадо (CU Boulder) у Боулдері, США, привнесли питання сталості у сфері м’якої робототехніки на перший план.

Разом вони розробили повністю біодеградабельний, високопродуктивний штучний м’яз, виготовлений з желатину, олії та біопластиків. Учні продемонстрували потенціал цієї інноваційної технології, використовуючи її для анімації роботизованого захоплювача, особливо корисного для одноразових застосунків, таких як збирання відходів. Ці штучні м’язи можна утилізувати в комунальних компостних контейнерах і повністю біодеградують протягом шести місяців під контролем.

Еллен Рамлі, вчений-стажер з CU Boulder, який працює в відділі робототехнічних матеріалів MPI-IS і є співавтором статті статті, підкреслює важливість використання сталого матеріалу в м’якій робототехніці:

“Біодеградабельні деталі можуть пропонувати сталий рішення, особливо для одноразових застосунків, таких як медичні операції, пошуково-рятувальні місії та обробка небезпечних речовин. Замість того, щоб накопичуватися на сміттєзвалищах наприкінці терміну служби продукту, роботизовані пристрої майбутнього можуть стати компостом для майбутнього росту рослин.”

Розробка біодеградабельних штучних м’язів HASEL

Дослідники створили електрично керований штучний м’яз під назвою HASEL (Гідравлічно посилені самоізолюючі електростатичні актуатори). HASEL – це оливні пластикові пакети, частково покриті парою електродів. Коли високе напруження прикладено до пари електродів, виникають протилежні заряди, що генерують силу, яка штовхає оливу в область пакета без електродів. Це призводить до скорочення пакета, подібного до справжнього м’яза. Для деформації HASEL матеріали, використані для пластикового пакета та олії, повинні бути електричними ізоляторами, здатними витримувати високі електричні напруження, генеровані зарядженими електродами.

Одним з ключових викликів було розроблення провідного, м’якого та повністю біодеградабельного електрода. Дослідники в JKU створили рецепт, який використовує суміш біополімеру желатину та солей, яку можна безпосередньо литися на актуатори HASEL.

Девід Пренінгер, співавтор цього проекту та вчений у відділі фізики м’яких речовин JKU, пояснює:

“Для нас було важливо створити електроди, придатні для цих високопродуктивних застосунків, але з доступними компонентами та доступною стратегією виготовлення.”

Джерело зображення: Інститут Макса Планка

Електричні характеристики та біодеградабельні пластики

Наступним перешкодом було визначення відповідних біодеградабельних пластиків. Інженери зазвичай віддають пріоритет таким факторам, як швидкість розкладання та механічна міцність, над електричною ізоляцією, необхідною для HASEL, які працюють при кількох тисячах вольт. Однак певні біопластики продемонстрували хорошу сумісність матеріалів з електродами на основі желатину та достатню електричну ізоляцію.

Одна конкретна комбінація матеріалів дозволила HASEL витримувати 100 000 циклів активації при кількох тисячах вольт без електричної відмови чи втрати продуктивності. Ці біодеградабельні штучні м’язи електромеханічно конкурентоспроможні зі своїми небіодеградабельними аналогами, сприяючи сталості у технології штучних м’язів.

Еллен Рамлі роз’яснює вплив їхньої роботи:

“Показуючи видатну продуктивність цієї нової системи матеріалів, ми даємо стимул спільноті робототехніки розглянути біодеградабельні матеріали як життєздатний варіант для будівництва роботів. Те, що ми досягли таких великих результатів з біопластиками, надихає, ймовірно, інших матеріалознавців створювати нові матеріали з оптимізованою електричною продуктивністю.”

Перспективи майбутнього та застосування

Розробка біодеградабельних штучних м’язів відкриває нові двері для майбутнього робототехніки. Інтегруючи сталий матеріал у технологію робототехніки, вчені можуть зменшити екологічний вплив роботів, особливо в застосунках, де поширені одноразові пристрої. Успіх цього дослідження прокладає шлях для дослідження більш біодеградабельних компонентів та розробки повністю екологічно чистих роботів.

Потенційні застосування біодеградабельних м’яких роботів розширюються за межі збирання відходів та медичних операцій. Ці роботи можуть бути використані в моніторингу навколишнього середовища, сільському господарстві та навіть у споживчій електроніці, зменшуючи тягар на сміттєзвалища та сприяючи круговій економіці.

Під час продовження дослідження команда планує далі удосконалити матеріали та процеси, використані при створенні біодеградабельних штучних м’язів. Співпрацюючи з іншими експертами у галузі матеріалознавства та робототехніки, вони спрямовані на розробку нових технологій, які просунуть сферу сталої м’якої робототехніки вперед. Дослідники сподіваються заохотити використання біодеградабельних матеріалів у різних галузях, тим самим сприяючи більш екологічному підходу до розвитку технологій.

Піонерська робота цієї міжнародної команди дослідників представляє собою життєво важливий крок до більш сталого майбутнього для м’якої робототехніки. Показуючи життєздатність та продуктивність біодеградабельних штучних м’язів, вони прокладають шлях для подальших досягнень у зеленій технології та надихають спільноту робототехніки до розгляду сталих альтернатив для своїх творінь.