Австрийские ученые создали мягкий привод из биоразлагаемых материалов

Австрийские исследователи разработали процесс экструзионной 3D-печати, в котором используются биоразлагаемые чернила при моделировании сложных объектов со стабильными размерами. Биочернила состоят из гидрогеля на основе желатина, который растягивается в шесть раз по сравнению с исходной длиной.

Это обещает новые применения для мягкой робототехники и открывает двери для безотходного производства. Инженеры мягкой робототехники черпают вдохновение в природе при разработке роботизированных устройств, взаимодействующих с людьми и другими живыми организмами. Тем не менее процесс производства этих приборов часто приводит к неперерабатываемым отходам.

Более того, традиционные методы производства, такие как литье в формы, не отвечают требованиям сложных применений мягкой робототехники. Таким образом, достижения в области мягкой робототехники требуют новых методов производства, а также повышения экологической устойчивости.

Преимущества и проблемы мягкой робототехники

Мягкие роботы отличаются от жестких роботов, используемых в промышленных производственных условиях. Опираясь на подражание природе, мягкие роботы, изготовленные из мягких адаптивных материалов, помогают людям решать сложные задачи в промышленности, здравоохранении и обществе.

Однако устройства мягкой робототехники, в которых используются датчики и исполнительные механизмы, сильно влияют на окружающую среду. В этом контексте желательны приводы мягкой робототехники, изготовленные из биоразлагаемых материалов.

Были предприняты попытки производства биоразлагаемых мягких роботизированных компонентов с использованием гидрогелей, полиэфиров и белков. Однако традиционные методы литья в формы ограничивают степень свободы, достижимую с помощью современных мягких роботов.

Поэтому для сложных робототехнических устройств, в которые интегрированы гибкие датчики, требуются новые производственные подходы, такие как 3D-экструзионная печать.

Печать биоразлагаемых роботов

Команда Линцского университета имени Иоганна Кеплера в Австрии разработала метод 3D-печати для производства приводов мягких роботов со встроенными сенсорными сетями. Их метод основан на моделировании методом наплавления (FDM), при котором непрерывная нить биогелевого материала подается через нагретую головку экструдера для формирования желаемого объекта. Минимально достижимый размер элемента составляет 0,6 мм.

Мягкие и эластичные материалы необходимы для разработки мягких приводов для робототехники. Биополимеры, такие как целлюлоза, альгинат и желатин, использовались для производства биоразлагаемых материалов для инженерных применений. Австрийская группа разработала гидрогель (биогель) на основе желатина с высокой эластичностью (предельная деформация 500%) для своего исследования.

Желатин представляет собой гидролизованную форму коллагена, обычно используемую в пищевых продуктах. Это безвкусный и бесцветный полимер, полученный из частей тела животных. Благодаря своей универсальности он используется в широком спектре инженерных задач, включая тканевую инженерию и волоконную оптику.

Свойства материала, достигнутые австрийской командой, стали результатом введения в желатин глицерина и сахарного сиропа. Кроме того, лимонная кислота регулирует рост бактерий. Этот идеальный состав обеспечивает ферментативное разложение материала в сточных водах всего за несколько дней, а также срок годности более года в условиях окружающей среды.

Биогель может быть использован для изготовления мягких пневматических приводов с углами изгиба до 74 градусов в любом направлении. Кроме того, биогель можно повторно использовать для печати до пяти раз.

Команда изучила эффекты нагревания, хранения и повторного использования биогелей. Они заметили снижение предельной деформации материала до 470% через 24 часа, что на 140% превосходит биогели, изготовленные методом литья в формы.

Их биогель сохраняет предельную деформацию выше 430% после 12 дней хранения в условиях окружающей среды, что намного выше 200%, необходимых для применения в мягкой робототехнике.

Австрийские исследователи также напечатали волноводы с использованием биогеля, которые обнаруживают деформации за счет потери проходящего света. Они могли регулировать показатель преломления своих волноводов, регулируя содержание воды в биогеле.

Наконец, ученые напечатали трехкамерный привод (60 мм в высоту и 16,6 мм в диаметре). Три электропневматических регулятора давления, единый источник давления и параллельное расположение надувных полостей обеспечивали всенаправленное движение.

Воссоздав двухмерную карту состояний срабатывания и соответствующих значений давления, они могли управлять роботом с помощью стандартного игрового контроллера. Команда продемонстрировала возможности робота, запрограммировав процедуру поиска и очистки, чтобы он мог обнаруживать и устранять препятствия.

Объединив растягиваемые волноводы с мягкими приводами, австрийские ученые смогли с высокой точностью управлять кривизной, направлением и измерением силы, а также сократить производственные затраты и количество отходов.

Исследователи считают, что их технология однажды приведет к созданию крошечных мягких роботов, которые смогут плавать внутри тела, распределяя лекарства или восстанавливая поврежденные ткани. Также «желатиновые роботы» могут использоваться для проникновения в чувствительные среды, такие как области с высоким уровнем радиоактивности. Технологию даже можно применять при создании детских игрушек.