Піонерська сталості м’якої 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), Боулдер, США, поставили сталість на перший план м’якої робототехніки.

Вони спільно 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 умов.

Еллен Рамлі, відвідувачка-вченя з CU Boulder, яка працює в відділі робототехніки матеріалів MPI-IS і є співавтором статті статті, підкреслює важливість сталості матеріалів у м’якій робототехніці:

“Біодеградабельні частини могли б пропонувати сталісну рішення, особливо для одноразових застосунків, таких як медичні операції, пошуково-рятувальні місії та маніпуляції з небезпечними речовинами. Замість того, щоб накопичуватися на сміттєзвалищах у кінці терміну служби продукту, роботизовані пристрої майбутнього могли б стати компостом для майбутнього росту рослин.”

Розробка біодеградабельних штучних м’язів HASEL

Дослідники створили електрично керований штучний м’яз, названий HASEL (Гідравлічно посилені самоочищаючі електростатичні актуатори). HASEL – це олієзаповнені пластикові пакети, частково покриті парою електричних проводників, званих електродами. Коли високе напруження прикладено до пари електродів, виникають протилежні заряди, що генерують силу, яка штовхає олію до області пакета без електродів. Це переміщення олії призводить до скорочення пакета, подібного до справжнього м’язу. Для деформації HASEL матеріали, використані для пластикового пакета та олії, повинні бути електричними ізоляторами, здатними витримувати високі електричні напруження, генеровані зарядженими електродами.

Ключовим викликом було розробити провідний, м’який і повністю біодеградабельний електрод. Дослідники з JKU створили рецепт, використовуючи суміш біополімеру желатину та солей, яку можна було безпосередньо виливати на актуатори HASEL.

Девід Пренінгер, співавтор цього проекту та вчений у відділі фізики м’яких матерій 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 властивості та біодеградабельні пластики

Наступним перешкодою 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 з желатину та достатню електричну ізоляцію.

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

Еллен Рамлі розповідає про вплив їхніх досліджень:

“Показавши видатну продуктивність цієї нової системи матеріалів, ми даємо стимул спільноті робототехніки розглянути біодеградабельні матеріали як життєздатну матеріальну опцію для будівництва роботів. Те, що ми досягли таких великих результатів з біопластиками, сподіваємося, також мотивує інших матеріалознавців створити нові матеріали з оптимізованою електричною продуктивністю.”

Перспективи майбутнього та застосування

Розробка біодеградабельних штучних м’язів відкриває нові двері для майбутнього робототехніки. Включаючи сталісні матеріали до роботизованої технології, 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 цілком екологічно чистих роботів.

Потенційні застосування біодеградабельних м’яких роботів розширюються за межі збирання відходів та медичних операцій. Ці роботизовані пристрої можна використовувати в моніторингу навколишнього середовища, сільському господарстві та навіть споживчій електроніці, зменшуючи тягар на сміттєзвалищах та сприяючи круговій економіці.

Під час продовження досліджень команда планує далі удосконалити матеріали та процеси, використані при створенні біодеградабельних штучних м’язів. Співпрацюючи з іншими експертами у галузі матеріалознавства та робототехніки, вони намагаються розробити нові технології, які просунуть галузь сталісної м’якої робототехніки вперед. Дослідники сподіваються заохотити використання біодеградабельних матеріалів у різних галузях, тим самим сприяючи більш екологічному підходу до технологічного розвитку.

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