Een interdisciplinair team van wetenschappers en ingenieurs van Twin Cities van de University of Minnesota heeft een uniek, op planten geïnspireerd extrusieproces ontwikkeld dat de groei van synthetisch materiaal mogelijk maakt. Met de nieuwe aanpak kunnen onderzoekers betere zachte robots bouwen die kunnen navigeren op moeilijk bereikbare plaatsen, gecompliceerd terrein en mogelijk gebieden in het menselijk lichaam.

Het artikel is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), een collegiaal getoetst, multidisciplinair, impactvol wetenschappelijk tijdschrift.

"Dit is de eerste keer dat deze concepten fundamenteel zijn gedemonstreerd", zegt Chris Ellison, hoofdauteur van het artikel en professor aan de University of Minnesota Twin Cities Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Het ontwikkelen van nieuwe manieren van produceren is van het grootste belang voor het concurrentievermogen van ons land en om nieuwe producten naar de mensen te brengen. Aan de robotkant worden robots steeds meer gebruikt in gevaarlijke, afgelegen omgevingen, en dit zijn het soort gebieden waar dit werkt zou een impact kunnen hebben."

Zachte robotica is een opkomend veld waar robots zijn gemaakt van zachte, buigzame materialen in plaats van stijve. Zachtgroeiende robots kunnen nieuw materiaal creëren en "groeien" terwijl ze bewegen. Deze machines kunnen worden gebruikt voor operaties in afgelegen gebieden waar mensen niet kunnen komen, zoals het inspecteren of installeren van buizen onder de grond of het navigeren in het menselijk lichaam voor biomedische toepassingen.

De huidige zachtgroeiende robots slepen een spoor van vast materiaal achter zich aan en kunnen warmte en/of druk gebruiken om dat materiaal om te zetten in een meer permanente structuur, net zoals een 3D-printer vast filament krijgt om zijn gevormde product te produceren. Het spoor van vast materiaal wordt echter moeilijker om bochten en bochten te trekken, waardoor het voor de robots moeilijk is om over terrein met obstakels of kronkelende paden te navigeren.

Het team van de Universiteit van Minnesota loste dit probleem op door een nieuwe extrusiemethode te ontwikkelen, een proces waarbij materiaal door een opening wordt geduwd om een ​​specifieke vorm te creëren. Door dit nieuwe proces te gebruiken, kan de robot zijn synthetische materiaal maken van een vloeistof in plaats van een vaste stof.

"We waren echt geïnspireerd door hoe planten en schimmels groeien", zegt Matthew Hausladen, eerste auteur van het artikel en een Ph.D. student aan de University of Minnesota Twin Cities Department of Chemical Engineering and Materials Science. "We namen het idee dat planten en schimmels materiaal toevoegen aan het uiteinde van hun lichaam, ofwel aan hun worteluiteinden of aan hun nieuwe scheuten, en dat hebben we vertaald naar een technisch systeem."

Planten gebruiken water om de bouwstenen te transporteren die worden omgezet in vaste wortels als de plant naar buiten groeit. De onderzoekers konden dit proces nabootsen met synthetisch materiaal met behulp van een techniek genaamd fotopolymerisatie, die licht gebruikt om vloeibare monomeren om te zetten in een vast materiaal. Met behulp van deze technologie kan de zachte robot gemakkelijker door obstakels en kronkelende paden navigeren zonder dat er vast materiaal achteraan hoeft te slepen.

Dit nieuwe proces heeft ook toepassingen in de productie. Omdat de techniek van de onderzoekers alleen vloeistof en licht gebruikt, zijn operaties die warmte, druk en dure machines gebruiken om materialen te maken en vorm te geven misschien niet nodig.

"Een heel belangrijk onderdeel van dit project is dat we allemaal materiaalwetenschappers, chemische ingenieurs en robotingenieurs hebben", zei Ellison. "Door al onze verschillende expertises samen te brengen, hebben we echt iets unieks aan dit project toegevoegd, en ik ben ervan overtuigd dat niemand van ons dit alleen had kunnen doen. Dit is een geweldig voorbeeld van hoe samenwerking wetenschappers in staat stelt om heel moeilijke fundamentele problemen, terwijl ze ook een technologische impact hebben."

Naast Ellison en Hausladen bestond het onderzoeksteam uit Boran Zhao (postdoctoraal onderzoeker) en Lorraine Francis (College of Science and Engineering Distinguished Professor) van het Department of Chemical Engineering en Materials Science van de Universiteit van Minnesota; en University of Minnesota Department of Mechanical Engineering onderzoekers Tim Kowalewski (universitair hoofddocent) en Matthew Kubala (afgestudeerde student). + Verder verkennen

Hydrogels maken de weg vrij voor de toekomst van zachte robotica