Khai phá Robot mềm Bền vững: Cơ bắp Nhân tạo Biodegradable cho Tương lai Xanh hơn

Một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Viện Hệ thống Thông minh Max Planck (MPI-IS) tại Stuttgart, Đức, Đại học Johannes Kepler (JKU) tại Linz, Áo và Đại học Colorado (CU Boulder), Boulder, USA đã đưa tính bền vững vào lĩnh vực robot mềm.

Cùng nhau, họ đã phát triển một cơ bắp nhân tạo hoàn toàn có thể phân hủy sinh học, hiệu suất cao được làm từ gelatin, dầu và nhựa sinh học. Các nhà khoa học đã展示 tiềm năng của công nghệ đổi mới này bằng cách sử dụng nó để tạo ra một bộ gắp robot, đặc biệt có lợi cho các ứng dụng sử dụng một lần như thu gom rác thải. Những cơ bắp nhân tạo này có thể được xử lý trong các thùng rác sinh hoạt và phân hủy hoàn toàn trong vòng sáu tháng dưới điều kiện được kiểm soát.

Ellen Rumley, một nhà khoa học thăm từ CU Boulder làm việc tại Bộ phận Vật liệu Robot tại MPI-IS và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo, nhấn mạnh tầm quan trọng của vật liệu bền vững trong robot mềm:

“Các bộ phận có thể phân hủy sinh học có thể cung cấp một giải pháp bền vững đặc biệt cho các ứng dụng sử dụng một lần, như các hoạt động y tế, nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ, và xử lý các chất nguy hiểm. Thay vì tích tụ trong các bãi rác tại cuối vòng đời sản phẩm, các robot trong tương lai có thể trở thành phân compost cho sự phát triển của thực vật trong tương lai.”

Phát triển Cơ bắp Nhân tạo HASEL Biodegradable

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cơ bắp nhân tạo được điều khiển bằng điện gọi là HASEL (Bộ khuếch đại Tự chữa lành Điện tĩnh). HASEL là các túi nhựa chứa dầu được bao phủ một phần bởi một đôi điện cực. Khi một điện áp cao được áp dụng trên đôi điện cực, các điện tích đối lập sẽ tích tụ, tạo ra một lực đẩy dầu đến một khu vực không có điện cực của túi. Sự di chuyển dầu này sẽ khiến túi co lại, tương tự như một cơ bắp thực sự. Để HASEL biến dạng, các vật liệu được sử dụng cho túi nhựa và dầu phải là các vật liệu cách điện có khả năng chịu được các ứng suất điện cao được tạo ra bởi các điện cực đã được nạp điện.

Một thách thức chính là phát triển một điện cực dẫn điện, mềm và hoàn toàn có thể phân hủy sinh học. Các nhà nghiên cứu tại JKU đã tạo ra một công thức sử dụng một hỗn hợp của gelatin sinh học và muối có thể được đúc trực tiếp lên các bộ phận HASEL.

David Preninger, đồng tác giả đầu tiên của dự án này và là một nhà khoa học tại Bộ phận Vật lý Vật liệu Mềm tại JKU, giải thích:

“Điều quan trọng đối với chúng tôi là tạo ra các điện cực phù hợp cho các ứng dụng hiệu suất cao này, nhưng với các thành phần sẵn có và một chiến lược sản xuất có thể tiếp cận được.”

Nguồn hình ảnh: Viện Max Plank

Hiệu suất Điện và Nhựa sinh học Biodegradable

Hurdle tiếp theo là xác định các nhựa sinh học phù hợp. Các kỹ sư thường ưu tiên các yếu tố như tốc độ phân hủy và độ bền cơ học hơn cách điện, một yêu cầu cho HASEL hoạt động ở vài nghìn volt. Tuy nhiên, một số nhựa sinh học đã chứng minh sự tương thích vật liệu tốt với điện cực gelatin và cách điện đủ.

Một sự kết hợp vật liệu cụ thể cho phép HASEL chịu được 100.000 chu kỳ hoạt động ở vài nghìn volt mà không bị hỏng điện hoặc mất hiệu suất. Những cơ bắp nhân tạo có thể phân hủy sinh học này có tính cạnh tranh về mặt điện – cơ với các đối tác không phân hủy sinh học, thúc đẩy tính bền vững trong công nghệ cơ bắp nhân tạo.

Ellen Rumley giải thích về tác động của nghiên cứu của họ:

“Bằng cách展示 hiệu suất vượt trội của hệ thống vật liệu mới này, chúng tôi đang đưa ra một động lực cho cộng đồng robot để xem xét các vật liệu có thể phân hủy sinh học như một lựa chọn vật liệu khả thi cho việc xây dựng robot. Việc chúng tôi đạt được những kết quả tuyệt vời với nhựa sinh học hy vọng cũng sẽ khuyến khích các nhà khoa học vật liệu khác tạo ra các vật liệu mới với hiệu suất điện được tối ưu hóa.”

Tương lai và Ứng dụng

Sự phát triển của cơ bắp nhân tạo có thể phân hủy sinh học mở ra cánh cửa mới cho tương lai của robot. Bằng cách tích hợp các vật liệu bền vững vào công nghệ robot, các nhà khoa học có thể giảm tác động môi trường của robot, đặc biệt là trong các ứng dụng mà thiết bị sử dụng một lần là phổ biến. Sự thành công của nghiên cứu này mở đường cho việc khám phá các thành phần có thể phân hủy sinh học hơn và thiết kế các robot hoàn toàn thân thiện với môi trường.

Các ứng dụng tiềm năng cho robot mềm có thể phân hủy sinh học mở rộng ra ngoài việc thu gom rác thải và các hoạt động y tế. Những robot này có thể được sử dụng trong giám sát môi trường, nông nghiệp và thậm chí là điện tử tiêu dùng, giảm gánh nặng cho các bãi rác và đóng góp vào một nền kinh tế tuần hoàn.

Khi nghiên cứu tiếp tục, nhóm dự định sẽ tinh chỉnh thêm các vật liệu và quy trình được sử dụng trong việc tạo ra cơ bắp nhân tạo có thể phân hủy sinh học. Bằng cách hợp tác với các chuyên gia khác trong lĩnh vực khoa học vật liệu và robot, họ nhằm phát triển các công nghệ mới sẽ thúc đẩy lĩnh vực robot mềm bền vững tiến về phía trước. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ khuyến khích việc áp dụng vật liệu có thể phân hủy sinh học trong các ngành công nghiệp khác nhau, từ đó thúc đẩy một cách tiếp cận thân thiện với môi trường hơn trong việc phát triển công nghệ.

Công việc đột phá của nhóm nghiên cứu quốc tế này đại diện cho một bước quan trọng hướng tới một tương lai bền vững hơn cho robot mềm. Bằng cách chứng minh tính khả thi và hiệu suất của cơ bắp nhân tạo có thể phân hủy sinh học, họ đang mở đường cho các tiến bộ hơn nữa trong công nghệ xanh và truyền cảm hứng cho cộng đồng robot để xem xét các giải pháp thay thế bền vững cho các sáng tạo của họ.