Ingeniører opdager ny proces til vækst af syntetiske materialer, hvilket muliggør bløde robotter, der vokser som planter

Et tværfagligt team af videnskabsmænd og ingeniører fra University of Minnesota Twin Cities har udviklet en første af sin slags, planteinspireret ekstruderingsproces, der muliggør vækst af syntetisk materiale. Den nye tilgang vil give forskere mulighed for at bygge bedre bløde robotter, der kan navigere på svært tilgængelige steder, kompliceret terræn og potentielt områder i den menneskelige krop.

Artiklen er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), et peer-reviewed, multidisciplinært videnskabeligt tidsskrift med stor gennemslagskraft.

"Dette er første gang, disse begreber er blevet fundamentalt demonstreret," sagde Chris Ellison, en hovedforfatter af papiret og professor ved University of Minnesota Twin Cities Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Udvikling af nye måder at fremstille på er altafgørende for vores lands konkurrenceevne og for at bringe nye produkter til folk. På robotsiden bliver robotter brugt mere og mere i farlige, fjerntliggende miljøer, og det er den slags områder, hvor dette virker. kunne have en indflydelse."

Soft robotics er et spirende felt, hvor robotter er lavet af bløde, bøjelige materialer i modsætning til stive. Blødt voksende robotter kan skabe nyt materiale og "vokse", mens de bevæger sig. Disse maskiner kunne bruges til operationer i fjerntliggende områder, hvor mennesker ikke kan gå, såsom at inspicere eller installere rør under jorden eller navigere inde i den menneskelige krop til biomedicinske applikationer.

Nuværende blødt voksende robotter trækker et spor af fast materiale bag sig og kan bruge varme og/eller tryk til at omdanne dette materiale til en mere permanent struktur, ligesom hvordan en 3D-printer tilføres fast filament for at producere sit formede produkt. Imidlertid bliver sporet af fast materiale sværere at trække rundt i sving og sving, hvilket gør det svært for robotterne at navigere i terræn med forhindringer eller snoede stier.

University of Minnesota-teamet løste dette problem ved at udvikle et nyt ekstruderingsmiddel, en proces, hvor materiale skubbes gennem en åbning for at skabe en bestemt form. Ved at bruge denne nye proces kan robotten skabe sit syntetiske materiale ud fra en væske i stedet for et fast stof.

"Vi blev virkelig inspireret af, hvordan planter og svampe vokser," sagde Matthew Hausladen, førsteforfatter af papiret og en ph.d. studerende ved University of Minnesota Twin Cities Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Vi tog ideen om, at planter og svampe tilføjer materiale for enden af ​​deres kroppe, enten ved deres rodspidser eller ved deres nye skud, og vi oversatte det til et teknisk system."

Planter bruger vand til at transportere byggestenene, der bliver omdannet til faste rødder, når planten vokser udad. Forskerne var i stand til at efterligne denne proces med syntetisk materiale ved hjælp af en teknik kaldet fotopolymerisation, som bruger lys til at omdanne flydende monomerer til et fast materiale. Ved hjælp af denne teknologi kan den bløde robot nemmere navigere på forhindringer og snoede stier uden at skulle trække noget fast materiale bag sig.

Denne nye proces har også anvendelser inden for fremstilling. Da forskernes teknik kun bruger væske og lys, er operationer, der bruger varme, tryk og dyre maskiner til at skabe og forme materialer, muligvis ikke nødvendige.

"En meget vigtig del af dette projekt er, at vi har materialeforskere, kemiingeniører og robotingeniører alle involveret," sagde Ellison. "Ved at sætte al vores forskellige ekspertise sammen, bragte vi virkelig noget unikt til dette projekt, og jeg er overbevist om, at ikke én af os kunne have gjort dette alene. Dette er et godt eksempel på, hvordan samarbejde gør det muligt for forskere at tage fat på virkelig hårde fundamentale problemer og samtidig have en teknologisk indvirkning."

Ud over Ellison og Hausladen omfattede forskerholdet University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science forskere Boran Zhao (postdoc-forsker) og Lorraine Francis (College of Science and Engineering Distinguished Professor); og University of Minnesota Department of Mechanical Engineering forskere Tim Kowalewski (lektor) og Matthew Kubala (kandidatstuderende). + Udforsk yderligere

Hydrogeler baner vejen for fremtiden for blød robotteknologi