Тема устойчивости в мягкой робототехнике в настоящее время находится в центре внимания международной группы исследователей из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте (Германия), Университета Иоганна Кеплера (JKU) в Линце (Австрия) и Университета Колорадо (CU Boulder)., Боулдер (США). Ученые совместно разработали полностью биоразлагаемую, высокоэффективную искусственную мышцу на основе желатина, масла и биопластика. Они демонстрируют потенциал этой биоразлагаемой технологии, используя ее для анимации роботизированного захвата, который может быть особенно полезен при одноразовом использовании, например, для сбора отходов. По истечении срока службы эти искусственные мышцы можно выбрасывать в муниципальные мусорные баки для компоста; при контролируемых условиях они полностью разлагаются в течение шести месяцев.

"Мы видим острую потребность в экологически чистых материалах в развивающейся области мягкой робототехники. Биоразлагаемые детали могут стать экологичным решением, особенно для одноразовых применений, таких как медицинские операции, поисково-спасательные операции и манипуляции с опасными веществами. Вместо того, чтобы накапливаться на свалках в конце срока службы продукта, роботы будущего могли бы стать компостом для будущего роста растений", - говорит Эллен Рамли, приглашенный ученый из Калифорнийского университета в Боулдере, работающий в отделе роботизированных материалов MPI-IS. Рамли является соавтором статьи "Биоразлагаемые электрогидравлические приводы для устойчивых мягких роботов", которая будет опубликована в журнале Science Advances 22 марта 2023 года.

В частности, команда исследователей создала искусственную мышцу с электрическим приводом под названием HASEL. По сути, хазели представляют собой заполненные маслом пластиковые пакеты, которые частично покрыты парой электрических проводников, называемых электродами. Подача высокого напряжения на пару электродов приводит к накоплению на них противоположных зарядов, создавая между ними силу, которая выталкивает масло в свободную от электродов область мешка. Эта миграция масла заставляет мешочек сокращаться, очень похоже на настоящую мышцу. Ключевое требование к деформируемости HASELs заключается в том, что материалы, из которых состоит 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, основанный на смеси биополимерного желатина и солей, который можно непосредственно наносить на приводы HASEL. "Для нас было важно создать электроды, подходящие для этих высокопроизводительных применений, но с легкодоступными компонентами и доступной стратегией изготовления. Поскольку представленный нами состав может быть легко интегрирован в различные типы систем с электрическим приводом, он служит строительным блоком для будущих биоразлагаемых применений", - утверждает Дэвид Пренингер, соавтор этого проекта и ученый из отдела физики мягких веществ JKU.

Следующим шагом был поиск подходящих биоразлагаемых пластмасс. Инженеры, работающие с материалами этого типа, в основном заботятся о таких свойствах, как скорость разложения или механическая прочность, а не об электрической изоляции; это требование предъявляется к аккумуляторам, работающим при напряжении в несколько тысяч Вольт. Тем не менее, некоторые биопластики показали хорошую совместимость материала с желатиновыми электродами и достаточную электрическую изоляцию. Корпуса, изготовленные из одной конкретной комбинации материалов, были способны выдерживать даже 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 со своими небиодеградируемыми аналогами; захватывающий результат для продвижения устойчивого развития технологии искусственных мышц.

"Демонстрируя выдающиеся характеристики этой новой системы материалов, мы даем стимул сообществу робототехников рассматривать биоразлагаемые материалы как жизнеспособный вариант для создания роботов", - продолжает Эллен Рамли. "Мы надеемся, что тот факт, что мы достигли таких замечательных результатов с использованием биопластиков, также мотивирует других ученых-материаловедов создавать новые материалы с учетом оптимизированных электрических характеристик".

Поскольку "зеленые" технологии становятся все более распространенными, 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 к созданию будущего для устойчивых робототехнических технологий.