Robotik
’Sticky Metal’ kunne have vidtrækkende anvendelser inden for robotteknik, energilagring og endda bioteknologiske løsninger
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Sticky Metal til blød robotteknik
Et problem, som robotudviklingen konstant støder på, er udviklingen af robotter og systemer, der kan håndtere den virkelige verden. Dette kræver ofte fleksibilitet og “bløde” dele i stedet for udelukkende mekaniske konstruktioner.
Forskellige tilgange eksperimenteres med. Især rapporterede vi tidligere om en: at skabe nyt magnetisk materiale for at lave såkaldt “blød robotteknik”, som vi diskuterede i detaljer i vores artikel “Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine.”
En anden tilgang kunne dog være at forbinde metalliske og bløde dele. Dette har historisk set været svært, hvor metal‑organiske samlinger er det største problem.
Dette problem kan muligvis være løst af forskerne Wenhao Xu, Faraz A. Burni og Srinivasa R. Raghavan, som arbejder ved University of Maryland, USA. De udviklede en type “klæbrig metal”, der kan skabe en stærk og holdbar forbindelse med de fleste bløde materialer såsom hydrogel, muskler og planter.
Hvordan Sticky Metal virker
Opdagelsen bygger på et nyt princip, som forskerne kaldte hård‑blød elektroadhæsion (EA).
De er stadig i gang med at forklare, hvordan det fungerer, men her er, hvad de allerede ved.
Kun nogle metaller udviser EA‑egenskaber
Ikke alle metaller kan anvendes til EA. Metaller, der har positiv reduktionspotentiale, mens dem uden har negativ reduktionspotentiale.
Metaller, der ikke klæber, er dem, der oxideres først ved anoden. Denne oxidation (elektrolyse) af metallet dominerer over eventuelle konkurrerende processer, hvilket forklarer, hvorfor der ingen adhesion er.
Omvendt er metaller, der klæber, relativt inerte, hvilket tillader polymerkæderne i gelnetværket at oxideres først ved anoden.
Dette udelukker almindelige metaller som titanium, zink, jern og nikkel, og det kan forklare, hvorfor EA først nu er blevet opdaget. Dog inkluderer det stadig almindelige og billige metaller som tin, bly, kobber samt grafit (som ikke er et metal, men ren kulstof). Så selvom dette kan være en begrænsning, bør det ikke være en afgørende hindring for brug i robotapplikationer.
Hvordan fungerer det?
EA skabes, når der påføres en strøm til metallet.
Teorien er, at oxidation af det bløde materiale (gel eller andet) skaber kemiske bindinger mellem metallet og polymerkæderne. Disse kemiske bindinger danner en stærk forbindelse mellem metallet og det bløde materiale, hvilket fører til stærk adhesion.
Processen kan også let vendes om ved at påføre en omvendt strøm. Dette skaber reduktive kemiske forhold, som “opløser” den kemiske binding og annullerer adhesionen.
Denne teori understøttes af eksperimenter, der viste, at enhver ændring i hydrogel kun forekommer ved overfladen, hvor den er i kontakt med metallet.
Det ser også ud til, at den præcise natur og karakteristika for den kemiske binding vil variere afhængigt af de respektive kemier af metallet og det bløde materiale.
Hvad kan Sticky Metal lime til?
Den offentliggjorte videnskabelige artikel fokuserer primært på adhesion til forskellige typer af hydrogel, da de er et godt materiale at modificere og eksperimentere med.
Principperne kan dog anvendes på mange andre materialer, herunder dyremuskler eller endda tomater. Overordnet set er den eneste krav til det bløde materiale, at det er en ionisk leder, hvilket gælder for næsten alle biologiske væv.
Lige så imponerende kan EA også forekomme under vand, hvor adhesion ofte er meget vanskelig at opnå.
Mulige anvendelser af Sticky Metals
Robotgreb
Den første og sandsynligvis mest umiddelbare anvendelse af EA er at udvikle bedre greb til robotter. At gribe ting korrekt uden at slippe dem eller knuse dem til pulp har været et vedvarende problem for robotter.
EA kræver ikke, at en robotfinger har fingre, hænder, led eller andre komplekse & specifikke former. Så dette kan bane vejen for billigere, mere effektive og sikrere alternativer til de nuværende metoder.
Kilde: Corteva
Batterier
Effektive og letproducerbare batterier er i høj efterspørgsel fra elbiler og væksten af vedvarende energikilder i energimixet. De fleste batterier bygger på at forbinde to hårde metalliske (eller grafit) faste anode og katode med en elektrolyt imellem dem.
Meget ofte er elektrolytten en gel i et ionledende opløsningsmiddel.
Derfor testede forskerne fra University of Maryland, om de kunne bruge EA til at skabe en ny type batteri.
De brugte kobber og zink som elektroder og formåede at skabe et 0,9 V batteri.
Dette var kun et proof‑of‑concept udført af ikke‑batterispecialister. De mener dog, at fleksible og genopladelige batterier kan skabes ved hjælp af de samme principper. Og det kan åbne vejen for en ny batteriproduktionsmetode.
Blød robotteknik
Som tidligere nævnt har robotingeniører længe drømt om robotter, der kombinerer hårde og bløde komponenter, og efterligner hvordan dyr har både hårde knogler og bløde muskler & væv.
En rudimentær test blev udført for at illustrere, hvordan EA kan bruges til dette formål. Til dette blev en blanding af hårde komponenter (grafitplader) og bløde komponenter (hydrogel) brugt til at skabe en “belastningsbærende hård‑blød struktur”.
Ved stigende belastninger understøttede strukturen den først og begyndte derefter at bøje. Når vægten fjernes, trækker gelpillerne sig tilbage til deres oprindelige tilstand, så den øverste plade bevæger sig opad.
Hårde elementer alene vil ikke være komprimerbare eller deformerbare, mens bløde elementer alene kan blive knust af en belastning. Kombinationen kan dog bære en belastning fleksibelt uden skade.
Ved at kunne komprimere og “skubbe tilbage” kunne et sådant system bruges til at lave aktuatorer og robotter, der kan interagere med deres miljø på en delikat måde.
Under vand-adhæsiv
At lime noget i et vandrigt miljø eller under vand kan være en teknisk udfordring. De klæbende bindinger påvirkes ofte af vandmolekylerne omkring dem og er svagere end nødvendigt i de fleste tilfælde.
Her er adhesion et elektrokemisk fænomen, der kun aktiveres, når gel og metal er i kontakt under en strøm. Da EA bygger på en egentlig kemisk forbindelse, påvirkes den ikke af det omgivende vand.
Proteser og implantater
En anden potentiel anvendelse af klæbrig metal er inden for biomedicinske anvendelser. Kompatibiliteten af metal med den menneskelige krop har altid været et problem ved brug af metalliske implantater. At forbinde metallet med de bløde væv uden at beskadige dem er en vanskelig proces.
Hvis implantater eller proteser som lemudskiftninger kunne få lov til at klæbe til bløde væv, kunne de blive meget mere funktionelle og praktiske at bruge. Det kunne også forbedre patienternes livskvalitet betydeligt.
Billede af RAEng_Publications fra Pixabay
Og fordi processen let kan vendes om ved at inducere en elektrisk strøm, er klæbrige implantater sandsynligvis også meget lettere at udskifte eller fjerne.
Avanceret anvendelse med Sticky Metal
Hard‑blød Elektroadhæsion eller EA er en bemærkelsesværdig opdagelse med mange mulige anvendelser.
Den fungerer ikke kun med praktisk talt alle ioniske geler og organiske væv (næsten alt, der indeholder vand og salte), men den kan også bruges med billige grundmetaller som tin, kobber og endda grafit. Takket være disse lavprismaterialer har enhver industriel anvendelse en chance for at være omkostningskonkurrencedygtig.
Den kunne fuldstændigt ændre robotteknikens felt, startende med bedre greb, især til fødevarer som kød, frugt og grøntsager. Derefter ville den muliggøre skabelsen af ægte bløde robotter, der kombinerer hårde og bløde/elastic dele.
Den kunne også muliggøre meget lettere forbindelser til kropsproteser og implantater, hvilket bringer os et skridt tættere på ægte cybernetisk teknologi.
Endelig kunne den have anvendelser ud over robotteknik og proteser, potentielt skabe nye typer af batterier samt under vand‑ og reversible klæbemidler.
