Ρομποτική
«Κολλώδη Μέταλλα»: Πιθανές Εφαρμογές στη Ρομποτική, στην Αποθήκευση Ενέργειας και στη Βιοϊατρική
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
«Κολλώδη Μέταλλα» για τη Μαλακή Ρομποτική
Ένα επαναλαμβανόμενο εμπόδιο στην ανάπτυξη της ρομποτικής είναι η κατασκευή ρομπότ και συστημάτων που μπορούν να αλληλεπιδρούν με τον πραγματικό κόσμο. Αυτό συχνά απαιτεί ευκαμψία και μαλακά εξαρτήματα, πέρα από τις μηχανικές κατασκευές.
Δοκιμάζονται διάφορες προσεγγίσεις. Έχουμε ήδη παρουσιάσει τη δημιουργία νέων μαγνητικών υλικών για τη λεγόμενη μαλακή ρομποτική, στο άρθρο μας «Οι Κάψουλες Μαγνητικής Γέλης Θα Μπορούσαν να Προωθήσουν τη Ρομποτική και την Ιατρική».
Μια άλλη προσέγγιση είναι η σύνδεση μεταλλικών και μαλακών εξαρτημάτων. Ιστορικά, αυτό ήταν δύσκολο, κυρίως λόγω των προβλημάτων στη διεπιφάνεια μετάλλου και οργανικού υλικού.
Οι Wenhao Xu, Faraz A. Burni και Srinivasa R. Raghavan, από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ στις ΗΠΑ, ανέπτυξαν μια πιθανή λύση: μια μέθοδο που κάνει ορισμένα μέταλλα «κολλώδη», ώστε να σχηματίζουν ισχυρούς και ανθεκτικούς δεσμούς με μαλακά υλικά, όπως υδρογέλες, μυϊκούς ιστούς και φυτικούς ιστούς.
Πώς Λειτουργούν τα «Κολλώδη Μέταλλα»
Η ανακάλυψη βασίζεται σε μια αρχή που οι ερευνητές ονόμασαν ηλεκτροπροσκόλληση σκληρών και μαλακών υλικών, ή EA.
Ο μηχανισμός εξακολουθεί να διερευνάται. Τα πειράματα, ωστόσο, έχουν ήδη αποκαλύψει ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά του.
Μόνο Ορισμένα Μέταλλα Παρουσιάζουν Ηλεκτροπροσκόλληση
Δεν είναι κατάλληλα όλα τα μέταλλα. Η προσκόλληση εξαρτάται από τις ανταγωνιστικές ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στη διεπιφάνεια και από τη θέση του μετάλλου στην ηλεκτροχημική σειρά· δεν αρκεί η διάκριση μεταξύ θετικού και αρνητικού δυναμικού αναγωγής.
Στα μέταλλα που δεν προσκολλώνται, η οξείδωση του ίδιου του μετάλλου στην άνοδο υπερισχύει των ανταγωνιστικών διεργασιών που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν δεσμούς με τη γέλη.
Αντίθετα, τα μέταλλα που προσκολλώνται είναι σχετικά λιγότερο ευαίσθητα σε αυτή την οξείδωση, επιτρέποντας την οξείδωση των πολυμερικών αλυσίδων της γέλης στην άνοδο.
Στις δοκιμές, τιτάνιο, ψευδάργυρος, σίδηρος και νικέλιο δεν παρουσίασαν αυτή την προσκόλληση. Παρουσίασαν όμως κασσίτερος, μόλυβδος και χαλκός, καθώς και γραφίτης, ο οποίος είναι μορφή άνθρακα και όχι μέταλλο. Υπάρχουν επομένως αρκετές οικονομικές επιλογές υλικών, αν και η καταλληλότητά τους εξαρτάται από την εφαρμογή· ο μόλυβδος, για παράδειγμα, έχει σημαντικούς περιορισμούς λόγω τοξικότητας.
Πώς Λειτουργεί;
Η ηλεκτροπροσκόλληση δημιουργείται όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα ενώ το μέταλλο βρίσκεται σε επαφή με το μαλακό υλικό.
Σύμφωνα με τον προτεινόμενο μηχανισμό, η οξείδωση του μαλακού υλικού, όπως μιας γέλης, δημιουργεί χημικούς δεσμούς μεταξύ του μετάλλου και των πολυμερικών αλυσίδων. Αυτοί οι δεσμοί σχηματίζουν μια ισχυρή σύνδεση των δύο υλικών.
Η διαδικασία μπορεί να αντιστραφεί εφαρμόζοντας ρεύμα αντίθετης κατεύθυνσης. Οι αναγωγικές συνθήκες που προκύπτουν διασπούν τους δεσμούς και επιτρέπουν την αποκόλληση.
Η ερμηνεία αυτή υποστηρίζεται από πειράματα που έδειξαν ότι οι μεταβολές στην υδρογέλη περιορίζονται στην επιφάνεια επαφής με το μέταλλο.
Η ακριβής φύση και τα χαρακτηριστικά των δεσμών φαίνεται επίσης να εξαρτώνται από τη χημική σύσταση του μετάλλου και του μαλακού υλικού.
Σε Ποια Υλικά Μπορούν να Προσκολληθούν;
Η δημοσιευμένη μελέτη επικεντρώνεται κυρίως σε διάφορες υδρογέλες, επειδή η σύστασή τους μπορεί να τροποποιηθεί εύκολα για πειραματικές δοκιμές.
Η μέθοδος δοκιμάστηκε και σε άλλα υλικά, όπως ζωικούς μυϊκούς ιστούς και ντομάτες. Βασική προϋπόθεση είναι το μαλακό υλικό να άγει ιόντα, κάτι που συμβαίνει σε πολλούς βιολογικούς ιστούς λόγω του νερού και των διαλυμένων αλάτων τους. Η πραγματική προσκόλληση εξαρτάται επίσης από τα υλικά και τις συνθήκες επαφής.
Η ηλεκτροπροσκόλληση επιτεύχθηκε ακόμη και κάτω από το νερό, όπου η δημιουργία ανθεκτικών συγκολλήσεων είναι συνήθως δύσκολη.
Πιθανές Εφαρμογές των «Κολλωδών Μετάλλων»
Ρομποτικές Αρπάγες
Μια πιθανή άμεση εφαρμογή είναι η ανάπτυξη καλύτερων ρομποτικών αρπαγών. Η συγκράτηση αντικειμένων χωρίς να πέφτουν ή να συνθλίβονται παραμένει μια δύσκολη πρόκληση για τη ρομποτική.
Η ηλεκτροπροσκόλληση θα μπορούσε να επιτρέψει τη συγκράτηση μέσω μιας επιφάνειας επαφής, μειώνοντας την ανάγκη για περίπλοκα δάχτυλα, αρθρώσεις ή ειδικά σχήματα. Έτσι, ενδέχεται να οδηγήσει σε απλούστερες, οικονομικότερες και ασφαλέστερες αρπάγες, εφόσον η τεχνολογία αποδειχθεί κατάλληλη στην πράξη.
Πηγή: Corteva
Μπαταρίες
Η ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αυξάνει τη ζήτηση για αποδοτικές μπαταρίες που κατασκευάζονται εύκολα. Οι μπαταρίες διαθέτουν άνοδο και κάθοδο, συχνά από μέταλλα ή υλικά όπως ο γραφίτης, μεταξύ των οποίων τα ιόντα μεταφέρονται μέσω ηλεκτρολύτη.
Ο ηλεκτρολύτης μπορεί να είναι υγρός, στερεός ή να έχει μορφή γέλης που επιτρέπει τη μεταφορά ιόντων.
Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ εξέτασαν επομένως αν η ηλεκτροπροσκόλληση θα μπορούσε να αξιοποιηθεί στην κατασκευή μιας μπαταρίας.
Χρησιμοποίησαν ηλεκτρόδια χαλκού και ψευδαργύρου και κατασκεύασαν μια πειραματική μπαταρία με τάση περίπου 0,9 V.
Πρόκειται για απόδειξη της αρχής λειτουργίας, όχι για έτοιμο εμπορικό προϊόν. Οι ερευνητές θεωρούν ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να συμβάλει σε μελλοντικές εύκαμπτες ή επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και σε νέες μεθόδους κατασκευής τους. Απαιτείται όμως περαιτέρω έρευνα.
Μαλακή Ρομποτική
Οι μηχανικοί ρομποτικής επιδιώκουν εδώ και χρόνια να συνδυάσουν σκληρά και μαλακά εξαρτήματα, μιμούμενοι τον τρόπο με τον οποίο τα ζώα διαθέτουν σκληρά οστά και μαλακούς μυς και ιστούς.
Για να δείξουν αυτή τη δυνατότητα, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια απλή δομή από πλάκες γραφίτη και υδρογέλη, συνδεδεμένες με ηλεκτροπροσκόλληση, η οποία μπορούσε να υποστηρίζει φορτίο.
Καθώς το φορτίο αυξανόταν, η δομή αρχικά το υποστήριζε και στη συνέχεια παραμορφωνόταν. Όταν αφαιρέθηκε το βάρος, οι στύλοι υδρογέλης επανήλθαν στην αρχική τους μορφή και η επάνω πλάκα ανυψώθηκε.
Τα σκληρά στοιχεία προσφέρουν αντοχή, ενώ τα μαλακά επιτρέπουν ελαστική παραμόρφωση. Ο συνδυασμός τους μπορεί, μέσα στα όρια αντοχής της δομής, να υποστηρίζει φορτία και να ανακτά το αρχικό του σχήμα.
Η δυνατότητα συμπίεσης και επαναφοράς θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε ενεργοποιητές και σε ρομπότ που αλληλεπιδρούν με ευαίσθητα αντικείμενα του περιβάλλοντός τους.
Υποβρύχια Προσκόλληση
Η συγκόλληση σε υγρό περιβάλλον ή κάτω από το νερό αποτελεί τεχνική πρόκληση. Τα μόρια του νερού μπορούν να επηρεάζουν τους δεσμούς και να αποδυναμώνουν τη σύνδεση.
Στην προκειμένη περίπτωση, η προσκόλληση ενεργοποιείται ηλεκτροχημικά όταν η γέλη και το μέταλλο έρχονται σε επαφή υπό ηλεκτρικό ρεύμα. Οι χημικοί δεσμοί που σχηματίζονται επέτρεψαν στις δοκιμές τη διατήρηση της σύνδεσης κάτω από το νερό. Αυτό δεν σημαίνει ότι η μέθοδος είναι ανεπηρέαστη από κάθε υδάτινο περιβάλλον.
Προθέσεις και Εμφυτεύματα
Μια άλλη πιθανή κατεύθυνση είναι οι βιοϊατρικές εφαρμογές. Η συμβατότητα των μεταλλικών εμφυτευμάτων με το ανθρώπινο σώμα και η σύνδεσή τους με μαλακούς ιστούς χωρίς τραυματισμό αποτελούν σημαντικές προκλήσεις.
Αν η μέθοδος μπορούσε να προσαρμοστεί με ασφάλεια σε εμφυτεύματα ή προσθετικά μέλη, ενδέχεται να βελτίωνε τη σύνδεσή τους με τους ιστούς και τη λειτουργικότητά τους. Αυτή παραμένει μια ερευνητική προοπτική και δεν έχει αποδειχθεί κλινική εφαρμογή.
Εικόνα από RAEng_Publications στο Pixabay
Η αναστρεψιμότητα της προσκόλλησης με ηλεκτρικό ρεύμα θα μπορούσε επίσης να διευκολύνει την αφαίρεση ή αντικατάσταση μελλοντικών εμφυτευμάτων, εφόσον αποδειχθεί ότι η διαδικασία είναι ασφαλής για τους ιστούς.
Μελλοντικές Προοπτικές
Η ηλεκτροπροσκόλληση σκληρών και μαλακών υλικών αποτελεί μια ενδιαφέρουσα ανακάλυψη με πολλές πιθανές εφαρμογές.
Οι δοκιμές έδειξαν προσκόλληση σε διάφορες ιοντικά αγώγιμες γέλες και βιολογικούς ιστούς, με σχετικά οικονομικά υλικά όπως ο κασσίτερος, ο χαλκός και ο γραφίτης. Αυτό δημιουργεί περιθώρια για οικονομικές εφαρμογές, χωρίς να αποδεικνύει ακόμη το κόστος ή τη βιωσιμότητα της βιομηχανικής παραγωγής.
Στη ρομποτική, θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερες αρπάγες για τρόφιμα, όπως κρέας, φρούτα και λαχανικά, και αργότερα σε κατασκευές που συνδυάζουν σκληρά με μαλακά ή ελαστικά μέρη.
Θα μπορούσε επίσης να συμβάλει σε νέους τρόπους σύνδεσης προσθετικών μελών και εμφυτευμάτων με το σώμα, εφόσον αντιμετωπιστούν οι απαιτήσεις βιοσυμβατότητας και ασφάλειας.
Πέρα από τη ρομποτική και τα προσθετικά μέλη, πιθανές κατευθύνσεις έρευνας είναι οι μπαταρίες και οι αναστρέψιμες υποβρύχιες συνδέσεις.
