In een artikel van 15 mei gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters hebben natuurkundigen van Virginia Tech een microscopisch fenomeen onthuld dat de prestaties van zachte apparaten, zoals behendige flexibele robots of microscopische capsules voor de toediening van medicijnen, aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

Het artikel, geschreven door promovendus Chinmay Katke, assistent-professor C. Nadir Kaplan, en co-auteur Peter A. Korevaar van de Radboud Universiteit in Nederland, stelt een nieuw fysiek mechanisme voor dat de uitzetting en samentrekking van hydrogels zou kunnen versnellen. In de eerste plaats opent dit de mogelijkheid voor hydrogels om op rubber gebaseerde materialen te vervangen die worden gebruikt om flexibele robots te maken, waardoor deze gefabriceerde materialen misschien kunnen bewegen met een snelheid en behendigheid die dicht bij die van menselijke handen ligt.

Zachte robots worden al gebruikt in de productie, waarbij een handachtig apparaat wordt geprogrammeerd om iets van een lopende band te pakken – denk aan een hotdog of stuk zeep – en het in een container te plaatsen om te worden verpakt. Maar degenen die nu in gebruik zijn, leunen nu op hydraulica of pneumatiek om de vorm van de "hand" te veranderen om het item op te pakken.

Net als ons eigen lichaam bevatten hydrogels meestal water en zijn ze overal om ons heen aanwezig, bijvoorbeeld voedselgelei en scheergel. Het onderzoek van Katke, Korevaar en Kaplan lijkt een methode te hebben gevonden waarmee hydrogels veel sneller kunnen opzwellen en samentrekken, wat hun flexibiliteit en vermogen om in verschillende omgevingen te functioneren zou verbeteren.

Wat deden de wetenschappers van Virginia Tech?

Levende organismen gebruiken osmose voor activiteiten zoals het laten barsten van zaden, het verspreiden van fruit in planten of het absorberen van water in de darmen. Normaal gesproken denken we aan osmose als een waterstroom die door een membraan beweegt, waar grotere moleculen zoals polymeren niet doorheen kunnen. Dergelijke membranen worden semi-permeabele membranen genoemd en men dacht dat ze nodig waren om osmose op gang te brengen.

Eerder hadden Korevaar en Kaplan experimenten gedaan met een dunne laag hydrogelfilm bestaande uit polyacrylzuur. Ze hadden waargenomen dat hoewel de hydrogelfilm zowel water als ionen doorlaat en niet selectief is, de hydrogel snel opzwelt als gevolg van osmose wanneer ionen vrijkomen in de hydrogel en weer krimpt.

Katke, Korevaar en Kaplan ontwikkelden een nieuwe theorie om de bovenstaande observatie te verklaren. Deze theorie vertelt dat microscopische interacties tussen ionen en polyacrylzuur ervoor kunnen zorgen dat de hydrogel opzwelt wanneer de vrijgekomen ionen in de hydrogel ongelijkmatig zijn verspreid. Ze noemden dit 'diffusio-foretische zwelling van de hydrogels'. Bovendien zorgt dit nieuw ontdekte mechanisme ervoor dat hydrogels veel sneller kunnen opzwellen dan voorheen mogelijk was.

Waarom is die verandering belangrijk?

Kaplan legde uit:Zachte, wendbare robots worden momenteel gemaakt van rubber, dat "het werk doet, maar hun vormen hydraulisch of pneumatisch veranderen. Dit is niet gewenst omdat het moeilijk is om een ​​netwerk van buizen in deze robots te printen om er lucht of vloeistof in te brengen. ."

Stel je voor, zei Kaplan, hoeveel verschillende dingen je met je hand kunt doen en hoe snel je ze kunt doen dankzij je neurale netwerk en de beweging van ionen onder je huid. Omdat het rubber en de hydraulica niet zo veelzijdig zijn als je biologische weefsels, wat een hydrogel is, kunnen ultramoderne zachte robots slechts een beperkt aantal bewegingen uitvoeren."

Hoe kan dit ons leven verbeteren?

Katke legde uit dat het proces dat ze hebben onderzocht ervoor zorgt dat de hydrogels van vorm kunnen veranderen en vervolgens "aanzienlijk sneller op deze manier" kunnen terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm, in zachte robots die groter zijn dan ooit tevoren.

Op dit moment kunnen alleen hydrogelrobots van microscopisch formaat snel genoeg reageren op een chemisch signaal om bruikbaar te zijn, en grotere hebben uren nodig om van vorm te veranderen, zei Katke. Door gebruik te maken van de nieuwe difusioforesemethode kunnen zachte robots zo groot als een centimeter mogelijk in slechts een paar seconden transformeren, wat onderwerp is van verder onderzoek.

Grotere, wendbare, zachte robots die snel kunnen reageren, zouden hulpmiddelen in de gezondheidszorg, 'pick-and-place'-functies bij productie, zoek- en reddingsoperaties, cosmetica voor huidverzorging en contactlenzen kunnen verbeteren.