Биоразлагаемые искусственные мышцы: экологичность в области мягкой робототехники.
Искусственные мышцы — это прогрессивная технология, которая однажды позволит роботам функционировать как живые организмы. Такие мускулы открывают новые возможности того, как роботы могут формировать мир вокруг нас; от вспомогательных носимых устройств, которые могут изменить наши физические возможности в старости, до роботов-спасателей, которые могут перемещаться по завалам в поисках пропавших без вести. Но то, что искусственные мышцы могут оказывать сильное влияние на общество во время использования, не означает, что они должны оказывать сильное воздействие на окружающую среду после использования.
Международная группа исследователей из Института интеллектуальных систем им. Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте (Германия) и Университета Иоганна Кеплера (JKU) в Линце (Австрия) привлекла внимание к теме устойчивого развития мягкой робототехники.
Ученые совместно разработали полностью биоразлагаемую высокоэффективную искусственную мышцу на основе желатина, масла и биопластика. Они демонстрируют потенциал этой биоразлагаемой технологии, используя ее для анимации роботизированного захвата, который может быть особенно полезен в одноразовых развертываниях, таких как сбор мусора (посмотрите видео на Youtube, см. ссылку ниже). В конце жизни эти искусственные мышцы могут быть выброшены в муниципальные компостные баки; в контролируемых условиях они полностью разлагаются в течение шести месяцев.
«Мы видим острую потребность в устойчивых материалах в ускоряющейся области мягкой робототехники. Биоразлагаемые детали могут предложить устойчивое решение, особенно для одноразовых приложений, таких как медицинские операции, поисково-спасательные миссии и манипуляции с опасными веществами. Вместо этого накапливаясь на свалках в конце срока службы продукта, роботы будущего могут стать компостом для будущего роста растений», — говорит Эллен Рамли, приглашенный ученый из Калифорнийского университета в Боулдере, работающий в отделе робототехнических материалов в MPI-IS.
Рамли является соавтором статьи «Биоразлагаемые электрогидравлические приводы для устойчивых мягких роботов», которая будет опубликована в журнале Science Advances.
В частности, группа исследователей построила искусственную мышцу с электрическим приводом под названием HASEL. По сути, HASEL представляют собой заполненные маслом пластиковые пакеты, которые частично покрыты парой электрических проводников, называемых электродами. Приложение высокого напряжения к паре электродов вызывает накопление противоположных зарядов на них, создавая силу между ними, которая выталкивает масло в свободную от электродов область мешочка. Эта миграция масла заставляет мешок сокращаться, как настоящая мышца.
Ключевым требованием к деформации HASEL является то, что материалы, из которых состоит пластиковый пакет и масло, являются электрическими изоляторами, которые могут выдерживать высокие электрические напряжения, создаваемые заряженными электродами.
Одной из задач этого проекта была разработка проводящего, мягкого и полностью биоразлагаемого электрода. Исследователи из Университета Йоханнеса Кеплера создали рецепт, основанный на смеси биополимерного желатина и солей, который можно наносить непосредственно на приводы HASEL.
«Для нас было важно сделать электроды подходящими для этих высокопроизводительных приложений, но с легкодоступными компонентами и доступной стратегией изготовления. Поскольку представленная нами формула может быть легко интегрирована в различные типы систем с электрическим приводом, она служит строительным блоком. для будущих биоразлагаемых приложений», — говорит Дэвид Пренингер, соавтор этого проекта и ученый из отдела физики мягких веществ JKU.
Следующим шагом стал поиск подходящего биоразлагаемого пластика. Инженеров по этому типу материалов в основном интересуют такие свойства, как скорость деградации или механическая прочность , а не электрическая изоляция; требование для HASEL, работающих при напряжении в несколько тысяч вольт.
Тем не менее, некоторые биопластики показали хорошую совместимость материалов с желатиновыми электродами и достаточную электрическую изоляцию. HASEL, изготовленные из одной конкретной комбинации материалов, даже смогли выдержать 100 000 циклов срабатывания при напряжении в несколько тысяч вольт без признаков электрического сбоя или потери производительности. Эти биоразлагаемые искусственные мышцы электромеханически конкурентоспособны со своими небиоразлагаемыми аналогами; захватывающий результат для продвижения устойчивости в технологии искусственных мышц.
«Показывая выдающиеся характеристики этой новой системы материалов, мы даем стимул робототехническому сообществу рассматривать биоразлагаемые материалы в качестве жизнеспособного материала для создания роботов», — продолжает Эллен Рамли. «Мы надеемся, что тот факт, что мы добились таких отличных результатов с биопластиками, также мотивирует других ученых-материаловедов создавать новые материалы с оптимизированными электрическими характеристиками».
Поскольку зеленые технологии становятся все более распространенными, исследовательский проект команды является важным шагом на пути к изменению парадигмы в мягкой робототехнике. Использование биоразлагаемых материалов для создания искусственных мышц — это всего лишь один шаг к созданию будущего для устойчивых робототехнических технологий.
