Австрійські вчені створили м'який привід із біорозкладних матеріалів

Австрійські дослідники розробили процес екструзійного 3D-друку, у якому використовуються біорозкладні чорнила для моделювання складних об'єктів зі стабільними розмірами. Біочорнила складаються з гідрогелю на основі желатину, який розтягується в шість разів порівняно з вихідною довжиною.

Це обіцяє нові застосування для м'якої робототехніки та відкриває двері для безвідходного виробництва. Інженери м'якої робототехніки черпають натхнення в природі під час розробки роботизованих пристроїв, що взаємодіють із людьми та іншими живими організмами. Проте процес виробництва цих приладів часто призводить до невторинних відходів.

Більше того, традиційні методи виробництва, такі як лиття у форми, не відповідають вимогам складних застосувань м'якої робототехніки. Отже, досягнення в галузі м'якої робототехніки потребують нових методів виробництва, а також підвищення екологічної стійкості.

Переваги та виклики м'якої робототехніки

М'які роботи відрізняються від жорстких роботів, які використовуються в промислових виробничих умовах. Спираючись на наслідування природи, м'які роботи, виготовлені з м'яких адаптивних матеріалів, допомагають людям вирішувати складні завдання в промисловості, охороні здоров'я та суспільстві.

Однак пристрої м'якої робототехніки, у яких використовуються датчики та виконавчі механізми, сильно впливають на навколишнє середовище. У цьому контексті бажані приводи м'якої робототехніки, виготовлені з біорозкладних матеріалів.

Були зроблені спроби виробництва біорозкладних м'яких роботизованих компонентів з використанням гідрогелів, поліефірів і білків. Проте традиційні методи лиття у форми обмежують ступінь свободи, досяжний за допомогою сучасних м'яких роботів.

Тому для складних робототехнічних пристроїв, в які інтегровано гнучкі датчики, потрібні нові виробничі підходи, такі як 3D-екструзійний друк.

Друк біорозкладних роботів

Команда Лінцького університету імені Йоганна Кеплера в Австрії розробила метод 3D-друку для виготовлення приводів м'яких роботів із вбудованими сенсорними мережами. Їхній метод базується на моделюванні методом плавлення (FDM), за якого безперервна нитка біогелевого матеріалу подається через нагріту головку екструдера для формування бажаного об'єкта. Мінімально досяжний розмір елемента становить 0,6 мм.

М'які та еластичні матеріали необхідні для розробки м'яких приводів для робототехніки. Біополімери, такі як целюлоза, альгінат і желатин, використовувалися для виробництва біорозкладних матеріалів для інженерних застосувань. Австрійська група розробила гідрогель (біогель) на основі желатину з високою еластичністю (граничне відносне видовження 500%) для свого дослідження.

Желатин є гідролізованою формою колагену, яка зазвичай використовується в харчових продуктах. Це безсмаковий і безбарвний полімер, отриманий із частин тіла тварин. Завдяки своїй універсальності він використовується в широкому спектрі інженерних завдань, включаючи тканинну інженерію та волоконну оптику.

Властивості матеріалу, досягнуті австрійською командою, стали результатом додавання до желатину гліцерину та цукрового сиропу. Крім того, лимонна кислота регулює ріст бактерій. Цей ідеальний склад забезпечує ферментативне розкладання матеріалу у стічних водах лише за кілька днів, а також термін придатності понад рік в умовах навколишнього середовища.

Біогель може бути використаний для виготовлення м'яких пневматичних приводів із кутами згину до 74 градусів у будь-якому напрямку. Крім того, біогель можна повторно використовувати для друку до п'яти разів.

Команда дослідила ефекти нагрівання, зберігання та повторного використання біогелів. Вони помітили зниження граничного відносного видовження матеріалу до 470% через 24 години, що на 140% перевищує біогелі, виготовлені методом лиття у форми.

Їхній біогель зберігає граничне відносне видовження понад 430% після 12 днів зберігання в умовах навколишнього середовища, що значно вище за 200%, необхідні для застосування в м'якій робототехніці.

Австрійські дослідники також надрукували хвилеводи з використанням біогелю, які виявляють деформації за рахунок втрати світла, що проходить. Вони могли регулювати показник заломлення своїх хвилеводів, змінюючи вміст води в біогелі.

Нарешті, вчені надрукували трикамерний привід (60 мм заввишки та 16,6 мм у діаметрі). Три електропневматичні регулятори тиску, єдине джерело тиску та паралельне розташування надувних порожнин забезпечували всенаправлений рух.

Створивши двовимірну карту станів спрацювання та відповідних значень тиску, вони могли керувати роботом за допомогою стандартного ігрового контролера. Команда продемонструвала можливості робота, запрограмувавши процедуру пошуку та очищення, щоб він міг виявляти та усувати перешкоди.

Поєднавши розтяжні хвилеводи з м'якими приводами, австрійські вчені змогли з високою точністю керувати кривизною, напрямком і вимірюванням сили, а також скоротити виробничі витрати та кількість відходів.

Дослідники вважають, що їхня технологія колись призведе до створення крихітних м'яких роботів, які зможуть плавати всередині тіла, доставляючи ліки або відновлюючи пошкоджені тканини. Також «желатинові роботи» можуть використовуватися для проникнення в чутливі середовища, такі як зони з високим рівнем радіоактивності. Технологію можна навіть застосовувати під час створення дитячих іграшок.