Forskere skaber nyt metallisk materiale til fleksible bløde robotter

'Origami-robotter' er avancerede bløde og fleksible robotter, der testes til brug i forskellige applikationer, herunder lægemiddellevering i menneskekroppe, eftersøgnings- og redningsmissioner i katastrofemiljøer og humanoide robotarme.

Fordi disse robotter skal være fleksible, de er ofte lavet af bløde materialer som papir, plastik og gummi. For at være funktionel, sensorer og elektriske komponenter er ofte tilføjet ovenpå, men disse tilføjer bulk til enhederne.

Nu, et hold af NUS-forskere har udviklet en ny metode til at skabe et nyt metalbaseret materiale til brug i disse bløde robotter.

Ved at kombinere metaller som platin med brændt papir (aske), det nye materiale har forbedrede egenskaber og bibeholder samtidig foldbarheden og lette egenskaber fra traditionelt papir og plastik. Faktisk, det nye materiale er halvt så let som papir, hvilket også gør den mere strømeffektiv.

Disse egenskaber gør dette materiale til en stærk kandidat til fremstilling af fleksible og lette protetiske lemmer, som kan være så meget som 60 procent lettere end deres konventionelle modstykker. Sådanne proteser kan give belastningsføling i realtid for at give feedback på, hvor meget de bøjer, giver brugerne bedre kontrol og øjeblikkelig information - alt sammen uden behov for eksterne sensorer, som ellers ville tilføje uønsket vægt til protesen.

Denne lette metalliske rygrad er mindst tre gange lettere end konventionelle materialer, der bruges til at fremstille origami-robotter. Det er også mere strømbesparende, gør det muligt for origami-robotter at arbejde hurtigere ved at bruge 30 procent mindre energi. Desuden, det nye materiale er brandsikkert, hvilket gør den velegnet til fremstilling af robotter, der arbejder i barske miljøer, da den kan modstå brænding ved omkring 800°C i op til 5 minutter.

Som en ekstra fordel, det nye ledende materiale har geotermisk opvarmning efter behov – at sende en spænding gennem materialet får det til at varme op, som er med til at forhindre isskader, når en robot arbejder i et koldt miljø. Disse egenskaber kan bruges til at skabe lys, fleksible eftersøgnings- og redningsrobotter, der kan trænge ind i farlige områder og samtidig give feedback og kommunikation i realtid.

Forskningsgennembrud udgivet i prestigefyldte Videnskab robotik tidsskrift

Det metalbaserede materiale er produceret gennem en ny proces udviklet af teamet kaldet 'grafenoxid-aktiveret skabelonsyntese'. Cellulosepapir lægges først i blød i en grafenoxidopløsning, før du dypper det i en opløsning lavet af metalliske ioner såsom platin. Materialet brændes derefter i en inert gas, argon, ved 800°C og derefter ved 500°C i luft.

Det endelige produkt er et tyndt lag metal - 90 mikrometer (μm), eller 0,09 mm – består af 70 procent platin og 30 procent amorft kulstof (aske), der er fleksibel nok til at bøje, folde, og strække. Dette betydningsfulde forskningsgennembrud blev offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Videnskab robotik den 28. august 2019. Andre metaller som guld og sølv kan også bruges.

Teamleder adjunkt Chen Po-Yen brugte en celluloseskabelon skåret ud i form af en føniks til sin forskning. "Vi er inspireret af det mytiske væsen. Ligesom Føniks, det kan brændes til aske og genfødes for at blive mere kraftfuldt end før, " sagde Asst Prof Chen, fra NUS Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik.

Ledende rygrad til smartere origami-robotter

Holdets materiale kan fungere som mekanisk stabilt, blød, og ledende backbones, der udstyrer robotter med belastningsføling og kommunikationsevner uden behov for ekstern elektronik. At være ledende betyder, at materialet fungerer som sin egen trådløse antenne, giver den mulighed for at kommunikere med en fjernoperatør eller andre robotter uden behov for eksterne kommunikationsmoduler. Dette udvider rækkevidden af ​​origami-robotter, såsom at arbejde i højrisikomiljøer (f.eks. kemikalieudslip og brandkatastrofer) som fjernstyrede ubundne robotter eller fungere som kunstige muskler eller humanoide robotarme.

"Vi eksperimenterede med forskellige elektrisk ledende materialer for endelig at udlede en unik kombination, der opnår optimal strain sensing og trådløs kommunikationskapacitet. Vores opfindelse udvider derfor biblioteket af ukonventionelle materialer til fremstilling af avancerede robotter, " sagde hr. Yang Haitao, ph.d.-studerende ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik og undersøgelsens førsteforfatter.

I de næste trin af deres forskning, Asst Prof Chen og hans team ser på at tilføje flere funktioner til den metalliske rygrad. En lovende retning er at inkorporere elektrokemisk aktive materialer for at fremstille energilagringsenheder, således at materialet selv er dets eget batteri, giver mulighed for at skabe selvdrevne robotter. Holdet eksperimenterer også med andre metaller såsom kobber, hvilket vil sænke omkostningerne ved materialets produktion.