22/03/2023
Door Ad Spijkers
Onderzoekers op het gebied van zachte robotica richten zich met biologisch afbreekbare kunstspieren op duurzaamheid.
Wetenschappers van het Max Planck Institut für Intelligente Systemen (MPI-IS) in Stuttgart, de Johannes Kepler Universität in Linz en de University of Colorado in Boulder hebben volledig biologisch afbreekbare, hoogwaardige kunstmatige spieren ontwikkeld. Het onderzoeksproject is een belangrijke stap naar meer duurzaamheid op het gebied van zachte robotica.
Kunstmatige spieren
Kunstmatige spieren zijn een toekomstige technologie waarmee robots op een dag kunnen functioneren als levende organismen. Kunstmatige spieren openen veel nieuwe manieren waarop robots de wereld om ons heen positief kunnen beïnvloeden. Dat gaat van apparaten die net als mensen kleren aantrekken die ons in het dagelijks leven ondersteunen of ons mobieler maken op oudere leeftijd, tot reddingsrobots die door puin navigeren op zoek naar vermiste mensen .
Hoe veelzijdig de robots van de toekomst zullen zijn, wordt beïnvloed door de kunstmatige spieren waarvan ze zijn gemaakt. Dat betekent niet dat ze een grote impact op het milieu moeten hebben. Ook in de zachte robotica wordt het thema duurzaamheid steeds belangrijker. Wetenschappers van genoemde instituten hebben een volledig biologisch afbreekbare, hoogwaardige kunstmatige spier samengesteld uit gelatine, olie en bioplastic.
Ze hebben een grijparm uitgerust met meerdere van dergelijke kunstmatige spieren. Als de spieren op een gegeven moment beschadigd zijn of niet meer goed functioneren, kunnen ze in de GFT-bak worden gegooid. Onder gecontroleerde omstandigheden worden de kunstspieren binnen zes maanden volledig afgebroken.
Duurzaam
De onderzoekers zien een dringende behoefte aan duurzame materialen op het gebied van zachte robotica. Biologisch afbreekbare componenten bieden een duurzame oplossing, vooral voor toepassingen voor eenmalig gebruik bij medische behandelingen, zoek- en reddingsoperaties en bij het omgaan met gevaarlijke stoffen. In plaats van op de vuilnisbelt te belanden aan het einde van de levensduur van het product, belanden de robots van de toekomst in de compost.
Het onderzoeksteam heeft een elektrisch aangedreven kunstmatige spier ontwikkeld, Hasel genaamd. Hasel's zijn kunststof zakken gevuld met olie met elektroden aan beide zijden van de zak. Wanneer een hoge spanning tussen de elektroden wordt aangelegd, zorgen de elektrostatische krachten ervoor dat de plantaardige olie in de zak verschuift. Door de olie heen en weer te duwen, trekt de zak samen - net als een echte spier. De belangrijkste voorwaarde voor het vervormen van de Hasel's is, dat alle materialen bestand zijn tegen de hoge elektrische spanningen.
Uitdagingen
De eerste uitdaging was het ontwikkelen van een geleidende, zachte en volledig biologisch afbreekbare elektrode. De onderzoekers in Linz ontwikkelden deze uit een mengsel van gelatine en zouten. Het was voor hen belangrijk om elektroden te ontwikkelen die bestand zijn tegen hoge spanningen en tegelijkertijd uit natuurlijke componenten bestaan. Omdat de biologisch afbreekbare spieren gemakkelijk in verschillende systemen kunnen worden geïntegreerd, zijn ze een ideale bouwsteen voor toekomstige biologisch afbreekbare robots.
In de volgende stap gingen de onderzoekers op zoek naar geschikte biologisch afbreekbare kunststoffen. De ingenieurs waren vooral bezorgd over hoe snel ze biologisch afbreekbaar zijn of hoe vast ze zijn, maar minder over elektrische geleidbaarheid - hoewel er enkele duizenden volt door Hasel's stroomt. Sommige biokunststoffen vertoonden een goede materiaalcompatibiliteit met de elektroden van gelatine en vertoonden een hoge geleidbaarheid. De Hasel's konden tot 100.000 keer samentrekken en ontvouwen bij enkele duizenden volts zonder kapot te gaan of de geleidbaarheid te verliezen.
Vervolg
De prestaties van de biologisch afbreekbare kunstspieren zijn dus net zo goed als die van Hasel's, die zijn gemaakt van niet-biologisch afbreekbare materialen. Dit is een belangrijke stap naar meer duurzaamheid op het gebied van soft robotics. Door de prestaties van de nieuwe materialen aan te tonen, bieden ze andere onderzoekers een stimulans om biologisch afbreekbare materialen te overwegen voor het bouwen van robots. De goede resultaten met biokunststoffen zullen hopelijk andere materiaalwetenschappers motiveren om duurzaam te denken.
Het onderzoeksproject van het team is een belangrijke stap in de richting van een paradigmaverschuiving in zachte robotica. Ook hier worden groene technologieën steeds belangrijker. Het gebruik van biologisch afbreekbare materialen om kunstmatige spieren op te bouwen is een belangrijke stap naar duurzamere robots.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: MPI-IS