Zephyrnet-logo

Lichtgestuurde vloeibare metalen strips brengen nieuwe flexibiliteit in zachte robotica

Datum:

05 december 2023 (Nanowerk Nieuws) Zachte robotica heeft onderzoekers geprikkeld met de belofte van machines die zich in krappe ruimtes kunnen wringen, kwetsbare voorwerpen kunnen hanteren en intuïtief met mensen kunnen communiceren. Toch is het realiseren van dit potentieel een ongrijpbaar doel gebleven vanwege beperkingen in de materialen en methoden die worden gebruikt om dergelijke flexibele apparaten te bedienen. Stijve componenten zoals motoren beperken de beweging, terwijl zachte actuatoren moeite hebben met het balanceren van kracht, snelheid en levensduur. Nu hebben wetenschappers bio-geïnspireerde ‘protoplasmatische’ vloeibare metalen strips ontwikkeld die kunnen worden geprogrammeerd om met precisie te draaien, buigen en flapperen bij blootstelling aan licht. Deze doorbraak kan eindelijk de veelzijdigheid ontketenen die zachte robots nodig hebben om te kruipen, te grijpen en zich een weg te banen naar toepassingen in de echte wereld. De bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen (“Tendril-geïnspireerde programmeerbare fotothermische actuatoren van vloeibaar metaal voor zachte robots”). bereiding van vloeibaar metaal / polyimide / polytetrafluorethyleenfilm a) Schematisch LM/PI-filmvoorbereidingsdiagram. b) Foto en schematisch diagram van de wijnstokstructuur. c) Krachtanalyse van samentrekking en buiging van PTFE-tape tijdens gebruik. d) De LM/PI/PTFE fotothermische actuator wordt voorbereid door PTFE-tape en LM/PI-film te monteren. e) Relatie tussen de kromtestraal en de montagehoek van LM/PI/PTFE fotothermische actuatoren. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De studie versterkt de doorbraak nog verder en benadrukt de uitzonderlijke eigenschappen en mogelijkheden van de op gallium gebaseerde vloeibare metaalcomponenten. Deze materialen combineren op unieke wijze een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid met de vloeibaarheid van een vloeistof met een lage viscositeit. Hun vermogen om een ​​atomair dunne oxidelaag te vormen zorgt voor niet-toxiciteit en oxidatieweerstand, cruciaal voor een veilige en duurzame toepassing. Deze innovatieve integratie in polymeerfilms resulteert in een composiet dat niet alleen de flexibiliteit van het basismateriaal behoudt, maar ook een aanzienlijke fotothermische responsiviteit toevoegt. Op indrukwekkende wijze onderstrepen experimentele resultaten de robuustheid en efficiëntie van deze materialen. Er is aangetoond dat de met vloeibaar metaal doordrenkte laminaten voorwerpen 48 keer hun eigen gewicht kunnen optillen, wat hun opmerkelijke sterkte aantoont. Bovendien blijkt hun uithoudingsvermogen uit hun consistente prestaties gedurende 2000 bewegingscycli, wat neerkomt op meer dan tien uur continu gebruik. Deze combinatie van kracht en duurzaamheid markeert een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van zachte robotica en belooft een nieuw tijdperk van zeer capabele en veelzijdige robotsystemen. De blijvende uitdaging voor zachte robotica is het vinden van actuatoren die passen bij de veelzijdigheid van natuurlijke spieren. Materialen zoals legeringen met vormgeheugen en polymeren krijgen bij verhitting hun gevormde vormen terug, maar de tijdelijke vormen zijn niet duurzaam. Hydrogelen en vloeibare kristalelastomeren kunnen aanhoudende configuraties creëren door middel van zwelling en moleculaire ordening, maar deze overgangen zijn meestal eenrichtingsverkeer. En pogingen om starre componenten zoals motoren en batterijen te integreren, doen het belangrijkste voordeel van zachte systemen teniet. De moeilijkheid om complexe omkeerbare bewegingen te programmeren zonder harde elementen heeft de vooruitgang gesmoord. Gelukkig hebben verschillende recente ontwikkelingen zachte robotica voorbereid op een nieuwe doorbraakpoging. Op gallium gebaseerde vloeibare metalen combineren op unieke wijze een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid met de vloeibaarheid van een vloeistof met een lage viscositeit. Hun ongebruikelijke eigenschappen komen voort uit de gemakkelijke vorming van een atomair dunne galliumoxidehuid die niet-toxiciteit verleent, verdere oxidatie remt en voldoende oppervlaktespanning biedt voor vormbehoud. Onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat deze spontaan vormende oppervlakteactieve stof de opname van vloeibare metaaldruppeltjes op microschaal in flexibele polymeerfilms mogelijk maakt. De resulterende composieten behouden de elasticiteit van de gastheer en verkrijgen tegelijkertijd fotothermische mogelijkheden. Met andere woorden, ze kunnen worden getraind om te bewegen als reactie op licht. De nieuwste studie demonstreert het programmeren van een ongelooflijke diversiteit aan duurzame, omkeerbare configuraties in in vloeibare metalen ingebedde polymeerstrips. Het team dankt bio-inspiratie voor hun slimme oplossing. Ze repliceerden de kronkelende ranken van klimplanten door stroken in lagen te leggen met een buitenste ‘protoplasmatische’ tape die ontworpen was om samen te trekken en te buigen bij stimulatie. Deze dubbellaagse structuur bootst bepaalde cellulaire activiteit na die ervoor zorgt dat de ranken van de wijnstok tijdens het groeien naar steunen draaien. Door middel van zorgvuldige laminaatfabricage en strategische laserverwarming produceerden de onderzoekers films die in staat waren om strak in spiralen te krullen, zachtjes open te buigen of soepel tussen toestanden over te gaan – waarbij elke vorm behouden bleef totdat hij werd gevraagd om opnieuw te transformeren. Door ingewikkelde patronen te printen en laminaatparameters zoals filmoriëntaties en componentverhoudingen af ​​te stemmen, creëerde het team een ​​opmerkelijk palet van voorprogrammeerbare bewegingen. Hun vloeibare metaaloplossing maakt snelle prototyping mogelijk van zachte machines die zijn afgestemd op complexe taken zoals kronkelen, lopen, grijpen en zwemmen. Om het aanpassingsvermogen aan te tonen, hebben de onderzoekers een arm met klauwpunten geconstrueerd die achtereenvolgens naar buiten reikt, sluit om een ​​voorwerp op te pakken, het omhoog brengt en het vervolgens weer neerzet. Een dergelijke behendige manipulatie blijft onmogelijk voor conventionele zachte robots. Deze indrukwekkende mogelijkheden komen voort uit de bio-geïnspireerde combinatie van een vormsluitende ondersteunende strip en een protoplasma-achtige samentrekkende laag die in doelgerichte arrangementen aan elkaar zijn bevestigd. Dit onderzoek levert een opwindende blauwdruk op voor gespecialiseerde zachte robots die zowel sterk als wendbaar zijn. Het team heeft bevestigd dat hun vloeibare metaallaminaten voorwerpen 48 keer hun gewicht kunnen optillen en betrouwbaar kunnen functioneren na 2000 bewegingscycli – meer dan tien uur achter elkaar. Een dergelijke veerkracht komt voort uit de hoogwaardige polymere component, terwijl de ingebedde vloeibare metaaldeeltjes voldoende warmte en robuuste hechting bijdragen. Samen kunnen deze eigenschappen eindelijk de robuustheidsbeperkingen doorbreken waar zachte robotica mee kampt. De auteurs formuleerden ook een computermodel dat nauwkeurig de buiging van de laminaten voorspelt als reactie op laserinvoer. Deze simulatietool maakt het mogelijk om aangepaste bewegingen te ontwerpen via softwareprototypes en een voorbeeld van de noodzakelijke fysieke parameters te bekijken vóór de fabricage. Door deze gestroomlijnde aanpak konden de onderzoekers snel originele aanpassingen bedenken en herhalen, zoals fotogestuurde waterstriders, inchworms en fladderende vlindervleugels. Complexere migraties, manipulaties en gebaren kunnen nu worden bedacht en werkelijkheid worden. Deze studie benadrukt hoe synergie van het begrijpen van de natuur en de voortschrijdende technologie innovatie kunnen stimuleren. De onderzoekers emuleerden adaptieve biologische processen die door de evolutie waren geperfectioneerd om dynamische op vloeibaar metaal gebaseerde actuatoren te creëren met behulp van moderne nanofabricage en computationele methoden. Het werk belooft aanpasbare zachte robots die de rommeligheid van de echte wereld beter aankunnen. Omdat de materialen en de fabricagetechniek een hoge mate van vrijheid bieden bij een lage complexiteit, kan het nieuwe, gemakkelijke prototyping van sterk geïntegreerde responsieve apparaten volgen. Deze ‘spieren’ van vloeibaar metaal zouden op een dag behendige zoek- en reddingsslangen kunnen aandrijven die zich door kieren wringen, zachte gewasplukgrijpers die kneuzingen voorkomen, intuïtieve draagbare trainers die menselijke bewegingen begeleiden, en soortgelijke toepassingen die aanpassingsvermogen vereisen.
spot_img

Laatste intelligentie

spot_img