Robotiikka
‘Sticky Metal’ voisi saada laajaa soveltamista robotiikassa, energian varastoinnissa ja jopa bioteknologisissa ratkaisuissa
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Sticky Metal pehmeille roboteille
Yksi ongelma, johon robotiikan kehitys toistuvasti törmää, on robottien ja järjestelmien kehittäminen, jotka pystyvät toimimaan todellisessa maailmassa. Tämä vaatii usein joustavuutta ja “pehmeitä” osia puhtaiden mekaanisten rakenteiden sijaan.
Erilaisia lähestymistapoja kokeillaan. Erityisesti raportoimme aiemmin yhdestä: uuden magneettisen materiaalin luomisesta niin sanottujen “pehmeiden robottien” valmistamiseksi, josta keskustelimme tarkemmin artikkelissamme “Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine.”
Toinen lähestymistapa olisi yhdistää metalliosat ja pehmeät osat. Tämä on historiallisesti ollut vaikeaa, sillä metalliorgaaniset liitokset ovat olleet pääasiallinen haaste.
Tämän ongelman ovat mahdollisesti ratkaisseet tutkijat Wenhao Xu, Faraz A. Burni ja Srinivasa R. Raghavan, jotka työskentelevät Marylandin yliopistossa, Yhdysvalloissa. He kehittivät eräänlaisen “tahmean metallin”, joka pystyy luomaan vahvan ja kestävän liitoksen useimpien pehmeiden materiaalien, kuten hydrogelin, lihasten ja kasvien, kanssa.
Miten Sticky Metal toimii
Löytö perustuu uuteen periaatteeseen, jonka tutkijat kutsuivat kovaa–pehmeää elektroadhesiota (EA).
He pyrkivät edelleen selittämään sen toiminnan täysin, mutta tässä on se, mitä he jo tietävät.
Vain tietyt metallit osoittavat EA-ominaisuuksia
Kaikkia metalleja ei voida käyttää EA:han. Metallit, joilla on positiivinen pelkistyspotentiaali, kun taas niillä, joilla ei ole, on negatiivinen pelkistyspotentiaali.
Metallit, jotka eivät tartu, ovat ne, jotka hapettuvat ensin anodilla. Tämä metallin hapettuminen (elektrolyysi) hallitsee muita kilpailevia prosesseja, mikä selittää, miksi tarttuvuutta ei synny.
Vastaavasti metallit, jotka tarttuvat, ovat suhteellisen inerttejä, jolloin geelin verkoston polymeriketjut hapettuvat ensin anodilla.
Tämä sulkee pois yleiset metallit kuten titaani, sinkki, rauta ja nikkeli, mikä saattaa selittää, miksi EA:tä ei ole aiemmin löydetty. Kuitenkin se sisältää edelleen yleisiä ja edullisia metalleja kuten tina, lyijy, kupari sekä grafiitin (joka ei ole metalli, vaan puhdas hiili). Joten vaikka tämä voi olla rajoitus, sen ei pitäisi estää sen käyttöä robotiikkasovelluksissa.
Miten se toimii?
EA syntyy, kun metalliin kohdistetaan sähkövirta.
Teoria on, että pehmeän materiaalin (geeli tai muu) hapettuminen luo kemiallisia sidoksia metallin ja polymeriketjujen välillä. Nämä kemialliset sidokset muodostavat vahvan liitoksen metallin ja pehmeän materiaalin välille, mikä johtaa vahvaan tarttuvuuteen.
Prosessi voidaan myös helposti kääntää kääntämällä virta. Tämä luo reduktiiviset kemialliset olosuhteet, jotka “liuottavat” kemiallisen sidoksen ja poistavat tarttuvuuden.
Tätä teoriaa tukevat kokeet, jotka osoittivat, että kaikki hydrogeelissä tapahtuvat muutokset tapahtuvat vain metallin kosketuspinnalla.
Vaikuttaa myös siltä, että kemiallisen sidoksen tarkka luonne ja ominaisuudet vaihtelevat metallin ja pehmeän materiaalin kemian mukaan.
Mihin Sticky Metal voi liimautua?
Julkaistu tieteellinen artikkeli keskittyy lähinnä tarttuvuuteen erilaisiin hydrogeelityyppeihin, koska ne ovat hyviä materiaaleja muokattaviksi ja kokeiltaviksi.
Kuitenkin periaatteita voidaan soveltaa moniin muihin materiaaleihin, mukaan lukien eläinlihakset tai jopa tomaatit. Yleisesti ainoa vaatimus pehmeälle materiaalille on, että se on ioninen johtaja, mikä pätee lähes kaikkiin biologisiin kudoksiin.
Vastaavasti vaikuttavaa on, että EA voi tapahtua myös veden alla, missä tarttuvuus on erittäin vaikea saavuttaa.
Sticky Metallien mahdolliset sovellukset
Robotiikan tarttujat
Ensimmäinen ja todennäköisesti nopein EA:n sovellus on parempien tarttujien kehittäminen roboteille. Esineiden oikeaoppinen tarttuminen ilman, että ne putoavat tai murskautuvat soseeksi, on ollut jatkuva haaste roboteille.
EA ei vaadi robotin sormelle sormia, käsiä, niveliä tai muita monimutkaisia ja tarkkoja muotoja. Tämä voi avata tien halvemmille, tehokkaammille ja turvallisemmille vaihtoehdoille nykyisiin menetelmiin verrattuna.
Lähde: Corteva
Paristot
Tehokkaat ja helppovalmistettavat akut ovat erittäin kysyttyjä sähköautojen ja uusiutuvien energialähteiden kasvun vuoksi energiamixissä. Useimmat akut perustuvat kahden kovaa metallista (tai grafiittia) kiinteän anodin ja katodin yhdistämiseen elektrolyytin avulla.
Usein elektrolyytti on geeli ionijohtavassa liuottimessa.
Siksi Marylandin yliopiston tutkijat testasivat, voisiko EA:ta käyttää uudenlaisen akun luomiseen.
He käyttivät kuparia ja sinkkiä elektrodeina ja onnistuivat luomaan 0,9 V:n akun.
Tämä oli vain konseptin todistus, jonka tekivät ei-akkuasiantuntijat. He kuitenkin uskovat, että joustavia ja ladattavia akkuja voitaisiin luoda samoja periaatteita käyttäen. Tämä voisi avata tien uudelle akkujen valmistusmenetelmälle.
Pehmeä robotiikka
Kuten aiemmin mainittiin, robotiikkainsinöörit ovat pitkään haaveilleet roboteista, jotka yhdistävät kovia ja pehmeitä komponentteja, jäljitellen sitä, miten eläimillä on sekä kovia luita että pehmeitä lihaksia ja kudoksia.
Alkeellinen testi tehtiin havainnollistamaan, miten EA:ta voidaan käyttää tähän tarkoitukseen. Tässä käytettiin kovien komponenttien (grafiittilevyt) ja pehmeiden komponenttien (hydrogeeli) seosta “kuormaa kantavan kovaa–pehmeää rakenteen” luomiseksi.
Kasvavilla kuormilla rakenne ensin kantoi sitä ja alkoi sitten taipua. Kun paino poistettiin, geelisarakkeet vetäytyivät takaisin alkuperäiseen tilaansa, ja ylälevy nousi ylöspäin.
Kovat elementit yksinään eivät ole puristettavissa tai muovautuvia, kun taas pehmeät elementit yksinään voivat murskua kuormasta. Yhdistelmä kuitenkin pystyy kantamaan kuormaa joustavasti ilman vaurioita.
Kyky puristaa ja “työntää takaisin” mahdollistaa tällaisen järjestelmän käytön toimilaitteiden ja robottien valmistamiseen, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa hienovaraisesti.
Vedenalainen liima
Mitä tahansa liimaaminen vesirikkaassa ympäristössä tai veden alla voi olla tekninen haaste. Liimakiinnitykset ovat usein veden molekyylien vaikutuksen alaisia ja heikompia kuin useimmissa tapauksissa vaaditaan.
Tässä tarttuvuus on elektrokemiallinen ilmiö, joka aktivoituu vain, kun geeli ja metalli koskettavat toisiaan virran alla. Koska EA perustuu todelliseen kemialliseen sidokseen, sitä ei vaikuta ympäröivä vesi.
Proteesit ja implantit
Toinen mahdollinen sticky metalin käyttö on biolääketieteellisissä sovelluksissa. Metallin yhteensopivuus ihmisen kehon kanssa on aina ollut ongelma metallisten implanttien käytössä. Metallin yhdistäminen pehmeisiin kudoksiin vahingoittamatta niitä on vaikea prosessi.
Jos implantit tai proteesit, kuten raajansuojat, voitaisiin saada tarttumaan pehmeisiin kudoksiin, ne voisivat olla paljon toimivampia ja käytännöllisempiä. Tämä voisi myös merkittävästi parantaa potilaiden elämänlaatua.
Kuva: RAEng_Publications lähde Pixabay
Ja koska prosessi on helposti käännettävissä sähkövirran avulla, tahmeat implantit ovat todennäköisesti paljon helpompi vaihtaa tai poistaa.
Edistyneet sovellukset Sticky Metalilla
Kova–pehmeä elektroadhesio eli EA on merkittävä löytö, jolla on monia mahdollisia sovelluksia.
Se ei ainoastaan toimi lähes kaikkien ionigeelien ja orgaanisten kudosten (lähes kaikki, jotka sisältävät vettä ja suoloja) kanssa, vaan sitä voidaan käyttää myös edullisten perusmetallien, kuten tinan, kuparin ja jopa grafiitin, kanssa. Näiden edullisten materiaalien ansiosta mikä tahansa teollinen sovellus voi olla kustannuskilpailukykyinen.
Se voisi täysin muuttaa robotiikan alaa, alkaen paremmista tarttujista, erityisesti elintarvikkeiden, kuten lihan, hedelmien ja vihannesten, käsittelyssä. Tämän jälkeen se mahdollistaisi todellisten pehmeiden robottien luomisen, jotka yhdistävät kovia ja pehmeitä/kimmoisia osia.
Se voisi myös mahdollistaa paljon helpommat yhteydet kehon proteeseihin ja implantteihin, tuoden meidät askeleen lähemmäs todellista kybernetiikkateknologiaa.
Lopuksi, sillä voisi olla sovelluksia robotiikan ja proteesien ulkopuolella, mahdollisesti luoden uusia akkutyyppejä sekä vedenalaisia ja käännettäviä liimoja.
