Fysikere foreslår vej til hurtigere, mere fleksible robotter

I et papir fra 15. maj udgivet i tidsskriftet Physical Review Letters , Virginia Tech-fysikere afslørede et mikroskopisk fænomen, der i høj grad kunne forbedre ydeevnen af ​​bløde enheder, såsom smidige fleksible robotter eller mikroskopiske kapsler til medicinafgivelse.

Papiret, skrevet af ph.d.-kandidat Chinmay Katke, adjunkt C. Nadir Kaplan og medforfatter Peter A. Korevaar fra Radboud Universitet i Holland, foreslår en ny fysisk mekanisme, der kan fremskynde udvidelsen og sammentrækningen af ​​hydrogeler. For det første åbner dette mulighed for, at hydrogeler kan erstatte gummibaserede materialer, der bruges til at lave fleksible robotter – hvilket gør det muligt for disse fremstillede materialer at bevæge sig med en hastighed og fingerfærdighed tæt på menneskehænders.

Bløde robotter bliver allerede brugt i fremstillingen, hvor en håndlignende enhed er programmeret til at få fat i en genstand fra et transportbånd – forestille sig en hotdog eller et stykke sæbe – og placere det i en beholder, der skal pakkes. Men dem, der er i brug, læner sig nu op af hydraulik eller pneumatik for at ændre formen på "hånden" for at samle varen op.

I lighed med vores egen krop indeholder hydrogeler for det meste vand og er overalt omkring os, f.eks. madgelé og barbergel. Katke, Korevaar og Kaplans forskning ser ud til at have fundet en metode, der tillader hydrogeler at svulme og trække sig meget hurtigere sammen, hvilket ville forbedre deres fleksibilitet og evne til at fungere i forskellige omgivelser.

Hvad gjorde Virginia Tech-forskerne?

Levende organismer bruger osmose til sådanne aktiviteter som sprængning af frø, der spreder frugter i planter eller absorberer vand i tarmen. Normalt tænker vi på osmose som en strøm af vand, der bevæger sig gennem en membran, med større molekyler som polymerer, der ikke er i stand til at bevæge sig igennem. Sådanne membraner kaldes semipermeable membraner og blev anset for at være nødvendige for at udløse osmose.

Tidligere havde Korevaar og Kaplan lavet eksperimenter ved at bruge et tyndt lag hydrogelfilm bestående af polyacrylsyre. De havde observeret, at selvom hydrogelfilmen tillader både vand og ioner at passere igennem og ikke er selektiv, svulmer hydrogelen hurtigt på grund af osmose, når ioner frigives inde i hydrogelen og skrumper tilbage igen.

Katke, Korevaar og Kaplan udviklede en ny teori til at forklare ovenstående observation. Denne teori fortæller, at mikroskopiske interaktioner mellem ioner og polyacrylsyre kan få hydrogelen til at svulme, når de frigivne ioner inde i hydrogelen er ujævnt spredt ud. De kaldte denne "diffusioforetiske hævelse af hydrogelerne." Desuden giver denne nyopdagede mekanisme hydrogeler mulighed for at svulme meget hurtigere, end hvad der tidligere har været muligt.

Hvorfor er den ændring vigtig?

Kaplan forklarede:Bløde agile robotter er i øjeblikket lavet af gummi, som "gør jobbet, men deres former ændres hydraulisk eller pneumatisk. Dette er ikke ønsket, fordi det er svært at indprente et netværk af rør i disse robotter for at levere luft eller væske ind i dem ."

Forestil dig, sagde Kaplan, hvor mange forskellige ting du kan gøre med din hånd, og hvor hurtigt du kan gøre dem på grund af dit neurale netværk og ionernes bevægelse under din hud. Fordi gummiet og hydraulikken ikke er så alsidig som dit biologiske væv, som er en hydrogel, kan avancerede bløde robotter kun udføre et begrænset antal bevægelser."

Hvordan kunne dette forbedre vores liv?

Katke forklarede, at den proces, de har forsket i, gør det muligt for hydrogelerne at ændre form og derefter skifte tilbage til deres oprindelige form "betydeligt hurtigere på denne måde" i bløde robotter, der er større end nogensinde før.

På nuværende tidspunkt kan kun hydrogelrobotter i mikroskopisk størrelse reagere på et kemisk signal hurtigt nok til at være nyttige, og større kræver timer at ændre form, sagde Katke. Ved at bruge den nye diffusio-forese-metode kan bløde robotter så store som en centimeter muligvis transformere sig på få sekunder, hvilket er underlagt yderligere undersøgelser.

Større smidige bløde robotter, der kunne reagere hurtigt, kunne forbedre hjælpemidler i sundhedssektoren, "pluk-og-placer"-funktioner i fremstilling, eftersøgnings- og redningsoperationer, kosmetik til hudpleje og kontaktlinser.