Мягкие роботы позеленеют из-за новой технологии

Искусственные мышцы — это прогрессирующая технология, которая в один прекрасный день может позволить роботам действовать подобно живым организмам.

Такие мышцы открывают новые возможности в том, как роботы могут менять мир вокруг нас: от вспомогательных носимых устройств, которые могут изменить наши физические возможности в пожилом возрасте, до роботов-спасателей, которые способны перемещаться по завалам в поисках пропавших людей. Но то, что искусственные мышцы могут оказывать сильное влияние на общество во время использования, не означает, что они должны оказывать сильное влияние на окружающую среду.

Тему устойчивости в мягкой робототехнике рассматривает международная группа исследователей из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте (Германия), Университета Иоганна Кеплера (JKU) в Линце (Австрия) и Университета Колорадо (CU Boulder) в Боулдере (США). Совместными усилиями ученые разработали полностью биоразлагаемую высокоэффективную искусственную мышцу на основе желатина, масла и биопластика. Они продемонстрировали потенциал этой биоразлагаемой технологии, используя ее для приведения в действие роботизированного захвата, который может быть особенно полезен при одноразовом использовании, например, для сбора отходов. По окончании срока службы эти искусственные мышцы можно утилизировать в компостных контейнерах; в контролируемых условиях они полностью разлагаются в течение шести месяцев.

Мы видим острую необходимость в устойчивых материалах в развивающейся области мягкой робототехники. Биоразлагаемые детали могут предложить устойчивое решение, особенно для одноразовых применений, таких как медицинские операции, поисково-спасательные операции и манипуляции с опасными веществами. Вместо того чтобы скапливаться на свалках в конце срока службы, роботы будущего могут стать компостом для роста растений в будущем, — говорит Эллен Рамли, приглашенный ученый из Калифорнийского университета в Боулдере, работающий в отделе робототехнических материалов в MPI-IS.

Рамли является одним из первых авторов статьи «Биоразлагаемые электрогидравлические актуаторы для устойчивых мягких роботов», которая опубликована в журнале Science Advances 22 марта 2023 года.

В частности, команда исследователей создала искусственную мышцу с электрическим приводом под названием HASEL. По сути, HASEL представляют собой заполненные маслом пластиковые мешочки, которые частично покрыты парой электрических проводников, называемых электродами. При подаче высокого напряжения на пару электродов на них накапливаются противоположные заряды, создавая между ними силу, которая выталкивает масло в свободную от электродов область мешочка. Эта миграция масла заставляет мешочек сокращаться, подобно настоящей мышце. Ключевым условием деформации HASEL является то, что материалы, из которых состоят 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 Иоганна Кеплера создали рецепт на основе смеси биополимерного желатина и солей, который можно напрямую отливать на актуаторах HASEL. «Для нас было важно создать электроды, подходящие для таких высокопроизводительных приложений, но с легкодоступными компонентами и доступной стратегией изготовления. Поскольку нашу формулу можно легко интегрировать в различные типы систем с электрическим приводом, она служит строительным блоком для будущих биоразлагаемых приложений», — говорит Дэвид Пренингер, соавтор проекта и ученый из Отдела физики мягкой материи JKU.

Следующим шагом стал поиск подходящих биоразлагаемых пластиков. Инженеры, занимающиеся разработкой материалов такого типа, в основном обращают внимание на такие свойства, как скорость разложения или механическая прочность, а не на электрическую изоляцию, что является требованием для HASEL, работающих при напряжении в несколько тысяч вольт. Тем не менее, некоторые биопластики показали хорошую совместимость 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 по сравнению с их небиоразлагаемыми аналогами, что является захватывающим результатом для продвижения устойчивости в технологии искусственных мышц.

Показав выдающиеся характеристики этой новой системы материалов, мы стимулируем робототехническое сообщество рассматривать биоразлагаемые материалы как жизнеспособный вариант материала для создания роботов, — продолжает Эллен Рамли.

— Тот факт, что мы достигли таких высоких результатов с биопластиком, надеюсь, также мотивирует других ученых-материаловедов на создание новых материалов с учетом оптимизированных электрических характеристик.

Поскольку «зеленые» технологии становятся все более актуальными, исследовательский проект команды является важным шагом на пути к смене парадигмы в мягкой робототехнике. Использование биоразлагаемых материалов для создания искусственных мышц — это всего лишь один шаг на пути к созданию будущего устойчивых робототехнических технологий.

22.03.2023