Blød, multifunktionelle robotter bliver virkelig små

Robotikere forestiller sig en fremtid, hvor bløde, dyreinspirerede robotter kan sikkert installeres i svært tilgængelige miljøer, såsom inde i den menneskelige krop eller i rum, der er for farlige til, at mennesker kan arbejde, hvor stive robotter i øjeblikket ikke kan bruges. Bløde robotter i centimeterstørrelse er blevet skabt, men hidtil har det ikke været muligt at fremstille multifunktionelle fleksible robotter, der kan bevæge sig og operere i mindre størrelsesskalaer.

Et team af forskere ved Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og Boston University har nu overvundet denne udfordring ved at udvikle en integreret fremstillingsproces, der muliggør design af bløde robotter på millimeterskalaen med mikrometerskalafunktioner. For at demonstrere mulighederne i deres nye teknologi, de skabte en blød robotedderkop – inspireret af den millimeterstore farverige australske påfugledderkop – af et enkelt elastisk materiale med kropsformning, bevægelse, og farvefunktioner. Undersøgelsen er publiceret i Avancerede materialer .

"De mindste bløde robotsystemer har stadig en tendens til at være meget enkle, med normalt kun én grad af frihed, hvilket betyder, at de kun kan aktivere én bestemt ændring i form eller type bevægelse, " sagde Sheila Russo, Ph.D., medforfatter til undersøgelsen. Russo var med til at igangsætte projektet som postdoktor i Robert Woods gruppe ved Wyss Institute og SEAS og er nu assisterende professor ved Boston University. "Ved at udvikle en ny hybridteknologi, der kombinerer tre forskellige fremstillingsteknikker, vi skabte en blød robotedderkop kun lavet af silikonegummi med 18 frihedsgrader, omfatter ændringer i strukturen, bevægelse, og farve, og med små funktioner i mikrometerområdet."

Træ, Ph.D., er et Core Faculty-medlem og medleder af Bioinspired Soft Robotics-platformen på Wyss Institute og Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences ved SEAS. "I riget af bløde robotenheder, denne nye fremstillingstilgang kan bane vejen for at opnå lignende niveauer af kompleksitet og funktionalitet i denne lille skala som dem, der udvises af deres stive modstykker. I fremtiden, det kan også hjælpe os med at efterligne og forstå struktur-funktionsforhold i små dyr meget bedre end stive robotter kan, " han sagde.

I deres Microfluidic Origami for Reconfigurable Pneumatic/Hydraulic (MORPH) enheder, holdet brugte først en blød litografiteknik til at generere 12 lag af en elastisk silikone, der tilsammen udgør den bløde edderkops materialegrundlag. Hvert lag er præcist skåret ud af en form med en laser-mikrobearbejdningsteknik, og derefter bundet til den nedenfor for at skabe den ru 3D-struktur af den bløde edderkop.

Nøglen til at transformere denne mellemstruktur til det endelige design er et forudtænkt netværk af hule mikrofluidkanaler, der er integreret i individuelle lag. Med en tredje teknik kendt som injektionsinduceret selvfoldning, tryksatte et sæt af disse integrerede mikrofluidkanaler med en hærdelig harpiks udefra. Dette inducerer individuelle lag, og med dem også deres nabolag, til lokalt at bøje sig ind i deres endelige konfiguration, som er fikseret i rummet, når harpiksen hærder. Denne måde, for eksempel, den bløde edderkops hævede mave og nedadbøjede ben bliver permanente træk.

"Vi kan præcist styre denne origami-lignende foldeproces ved at variere tykkelsen og den relative konsistens af silikonematerialet, der støder op til kanalerne på tværs af forskellige lag eller ved at laserskære i forskellige afstande fra kanalerne. Under tryk, kanalerne fungerer derefter som aktuatorer, der inducerer en permanent strukturel ændring, " sagde den første og tilsvarende forfatter Tommaso Ranzani, Ph.D., som startede studiet som postdoc i Woods gruppe og nu også er adjunkt ved Boston University.

Det resterende sæt af integrerede mikrofluidiske kanaler blev brugt som yderligere aktuatorer til at farve øjnene og simulere de abdominale farvemønstre for påfugleedderkoppearterne ved strømmende farvede væsker; og at fremkalde gang-lignende bevægelser i benstrukturerne. "Dette første MORPH-system blev fremstillet i en enkelt, monolitisk proces, der kan udføres på få dage og let gentages i designoptimeringsbestræbelser, " sagde Ranzani.

"MORPH-tilgangen kunne åbne feltet for blød robotteknologi for forskere, der er mere fokuserede på medicinske applikationer, hvor de mindre størrelser og fleksibiliteten af ​​disse robotter kunne muliggøre en helt ny tilgang til endoskopi og mikrokirurgi, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D.