Nieuw onderzoek van het laboratorium van Ozgur Sahin, universitair hoofddocent biologische wetenschappen en natuurkunde aan de Columbia University, laat zien dat materialen kunnen worden gefabriceerd om zachte actuatoren te creëren - apparaten die energie omzetten in fysieke beweging - die sterk en flexibel zijn, en, meest belangrijk, bestand tegen waterschade.

"Er is een groeiende trend om alles waarmee we communiceren en aanraken te maken van materialen die dynamisch zijn en reageren op de omgeving, " zegt Sahin. "We hebben een manier gevonden om een ​​materiaal te ontwikkelen dat toch waterbestendig is, tegelijkertijd, uitgerust om water te benutten om de kracht en beweging te leveren die nodig zijn om mechanische systemen te bedienen."

Het onderzoek is op 21 mei online gepubliceerd in Geavanceerde materiaaltechnologieën .

De meeste traditionele robotsystemen zijn moeilijk, dat is, samengesteld uit metalen structuren die een computer nodig hebben om te functioneren. Zachte robots worden gemaakt met materialen die geen stijf skelet of elektriciteit gebruiken om mechanische sterkte te bieden. Ze zijn eenvoudiger te maken en goedkoper dan harde robots, beter in staat tot complexe bewegingen en veiliger te gebruiken in de buurt van mensen.

Het materiaal dat door de onderzoekers van Columbia is ontwikkeld, is gemaakt van een nieuwe combinatie van sporen - eenheden die worden geproduceerd door bacteriën die vaak worden gebruikt als voedingssupplementen - en kleefstoffen. Ze bieden een alternatief voor materialen, zoals synthetische polymeren, vaak gebruikt in harde actuatoren en zijn beter dan de gels die meer in het algemeen worden gebruikt in zachte actuatoren. Vergeleken met het nieuwe materiaal, gels reageren langzamer, kan geen hoog vermogen of kracht genereren en faalt meestal in direct contact met water.

Hoewel de afzonderlijke sporen waterbestendig zijn, ze zijn zo klein dat ze aan elkaar moeten worden gebonden via een fotochemisch proces waarbij licht van hoge intensiteit ze onmiddellijk aan elkaar lijmt tot een composietmateriaal. De onderzoekers gebruiken een goedkope, in de handel verkrijgbaar UV-licht dat in salons wordt gebruikt om nagellak uit te harden.

Eenmaal droog, het materiaal wordt in lagen gestapeld om een ​​microscopisch kleine structuur te vormen die uitzet of samentrekt met vochtigheid of vocht, het produceren van de kracht en beweging van mechanisch werk.

"Het is alsof je vellen of oppervlakken maakt van zand, " zegt postdoctoraal onderzoeker Onur Cakmak, hoofdauteur van de studie en een lid van het onderzoeksteam. "Het materiaal is erg korrelig."

Geleid door het patroonontwerp, de poreuze composiet kan buigen, vouwen en ontvouwen als reactie op vocht of water. Dit geeft de zachte actuatoren wendbaarheid en aanpassingsvermogen aan hun omgeving, net als organismen in de natuur. Het vermogen om te worden gemodelleerd, zegt Cakmak, "is essentieel als je van deze materialen bruikbare systemen wilt maken."

Sahin ziet veel potentiële toepassingen voor het nieuwe materiaal, van praktische artikelen tot artistieke creaties. Actuatoren gemaakt van de waterbestendige, vochtgevoelig composiet kan worden gebruikt om de ramen van een gebouw te openen wanneer de luchtvochtigheid te hoog wordt. Het materiaal kan ook worden toegevoegd aan stof in sportkleding om het zweet sneller te laten verdampen. "We bieden ontwerpers materiaal om mee te werken en hun ideeën snel te realiseren, ' zegt Sahin.

Toepassingen die bedoeld zijn om jarenlang te functioneren, moeten nog verder worden getest, hij voegt toe, maar die ontworpen voor kortere periodes zijn misschien al klaar voor gebruik.

"Terwijl we hieraan werken, we leren ook veel andere mogelijke toepassingen, sommige hebben betrekking op design en andere op materialen die deel kunnen uitmaken van de producten om ons heen, ", zegt Sahin. "Dat zouden plaatsen kunnen zijn waar de impact hiervan eerder zou kunnen zijn."