Robotica
‘Sticky Metal’ zou brede toepassingen kunnen hebben in robotica, energieopslag en zelfs biotechnologische oplossingen
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Sticky Metal voor zachte robotica
Een probleem waar de ontwikkeling in robotica steeds weer tegenaan loopt, is het creëren van robots en systemen die met de echte wereld kunnen omgaan. Dit vereist vaak flexibiliteit en “zachte” onderdelen, in plaats van louter mechanische constructies.
Er worden verschillende benaderingen geëxperimenteerd. Opmerkelijk is dat we eerder hebben gerapporteerd over één: het creëren van nieuw magnetisch materiaal om zogenoemde “zachte robotica” te realiseren, wat we in detail bespraken in ons artikel “Magnetische gelcapsules kunnen zowel robotica als geneeskunde vooruithelpen.”
Echter, een andere benadering zou zijn om metalen en zachte delen met elkaar te verbinden. Dit is historisch gezien moeilijk gebleken, waarbij metaal‑organische verbindingen het grootste obstakel vormen.
Dit probleem zou opgelost kunnen zijn door onderzoekers Wenhao Xu, Faraz A. Burni en Srinivasa R. Raghavan van de University of Maryland, VS. Zij ontwikkelden een soort “sticky metal” die een sterke en duurzame verbinding kan vormen met de meeste zachte materialen zoals hydrogel, spieren en planten.
Hoe Sticky Metal werkt
De ontdekking berust op een nieuw principe dat de onderzoekers hard‑zacht elektroadhesie (EA) noemen.
Ze zijn nog steeds bezig om volledig uit te leggen hoe het werkt, maar dit is wat ze al weten.
Alleen sommige metalen vertonen EA‑eigenschappen
Niet alle metalen kunnen voor EA worden gebruikt. Metalen die een positief reductiepotentiaal hebben, terwijl die zonder dit een negatief reductiepotentiaal hebben.
Metalen die niet hechten, zijn diegenen die eerst geoxideerd worden bij de anode. Deze oxidatie (elektrolyse) van het metaal domineert over alle concurrerende processen, wat verklaart waarom er geen hechting optreedt.
Omgekeerd zijn metalen die wel hechten relatief inert, waardoor de polymeerketens van het gelnetwerk eerst geoxideerd worden bij de anode.
Dit sluit veelvoorkomende metalen zoals titanium, zink, ijzer en nikkel uit, en dat kan verklaren waarom EA pas nu is ontdekt. Het omvat echter nog steeds gangbare en goedkope metalen zoals tin, lood, koper, evenals grafiet (dat geen metaal is, maar zuiver koolstof). Dus, hoewel dit een beperking kan lijken, zou het geen doorslaggevende belemmering moeten vormen voor robotische toepassingen.
Hoe werkt het?
EA ontstaat wanneer er een stroom op het metaal wordt aangelegd.
De theorie is dat de oxidatie van het zachte materiaal (gel of ander) chemische bindingen creëert tussen het metaal en de polymeerketens. Deze chemische bindingen vormen een sterke verbinding tussen het metaal en het zachte materiaal, wat leidt tot stevige hechting.
Het proces kan ook gemakkelijk worden omgekeerd door een omgekeerde stroom toe te passen. Dit creëert reductieve chemische omstandigheden, die de chemische binding “oplossen” en de hechting opheffen.
Deze theorie wordt ondersteund door experimenten die aantonen dat elke verandering in de hydrogel alleen optreedt op het contactoppervlak met het metaal.
Het lijkt ook dat de exacte aard en kenmerken van de chemische binding variëren afhankelijk van de respectieve chemie van het metaal en het zachte materiaal.
Waar kan Sticky Metal aan plakken?
Het gepubliceerde wetenschappelijke artikel richt zich voornamelijk op hechting aan verschillende soorten hydrogels, omdat die een goed materiaal vormen om te modificeren en mee te experimenteren.
De principes kunnen echter op tal van andere materialen worden toegepast, inclusief dierlijke spieren of zelfs tomaten. Over het algemeen is de enige voorwaarde voor het zachte materiaal dat het een ionische geleider is, wat het geval is voor bijna alle biologische weefsels.
Even indrukwekkend is dat EA ook onder water kan optreden, waar hechting vaak zeer moeilijk te realiseren is.
Mogelijke toepassingen van Sticky Metals
Robotische grijpen
De eerste en waarschijnlijk meest directe toepassing van EA is het ontwikkelen van betere grijpers voor robots. Het correct vastpakken van objecten zonder ze te laten vallen of tot pulp te vermorzelen is een hardnekkig probleem voor robots.
EA vereist niet dat een robotvinger vingers, handen, gewrichten of andere complexe & specifieke vormen heeft. Dit zou de weg kunnen openen voor goedkopere, efficiëntere en veiligere alternatieven voor de momenteel gebruikte methoden.
Bron: Corteva
Batterijen
Efficiënte en gemakkelijk te produceren batterijen zijn sterk in trek door EV’s en de groei van hernieuwbare energie in de energiemix. De meeste batterijen vertrouwen op het verbinden van twee harde metalen (of grafiet) vaste anode en kathode met een elektrolyt ertussen.
Heel vaak is de elektrolyt een gel in een ion‑geleidend oplosmiddel.
Daarom hebben de onderzoekers van de University of Maryland getest of ze EA konden gebruiken om een nieuw type batterij te creëren.
Ze gebruikten koper en zink als elektroden en slaagden erin een batterij van 0,9 V te maken.
Dit was slechts een proof‑of‑concept uitgevoerd door niet‑batterijspecialisten. Ze denken echter dat flexibele en oplaadbare batterijen kunnen worden gecreëerd met dezelfde principes. En het zou de weg kunnen openen voor een nieuwe productiemethode voor batterijen.
Zachte robotica
Zoals eerder vermeld, dromen robotica‑ingenieurs al lang van robots die harde en zachte componenten combineren, net zoals dieren zowel harde botten als zachte spieren & weefsels hebben.
Een rudimentaire test werd uitgevoerd om te illustreren hoe EA hiervoor kan worden ingezet. Hiervoor werd een mengsel van harde componenten (grafietplaten) en zachte componenten (hydrogel) gebruikt om een “dragende hard‑zachte structuur” te creëren.
Door toenemende belastingen ondersteunde de structuur deze eerst en begon daarna te buigen. Wanneer dit gewicht werd verwijderd, trok de gelpilaar terug naar de oorspronkelijke staat, waardoor de bovenste plaat omhoog bewoog.
Harde elementen alleen zullen niet samendrukbaar of vervormbaar zijn, terwijl zachte elementen alleen door een belasting kunnen worden verpletterd. De combinatie kan echter een belasting flexibel dragen zonder schade.
Door te kunnen samendrukken en “terugduwen”, zou een dergelijk systeem kunnen worden gebruikt voor actuatoren en robots die op een delicate manier met hun omgeving kunnen interageren.
Onderwaterlijm
Iets lijmen in een waterrijke omgeving of onder water kan een technische uitdaging zijn. De lijmverbindingen worden vaak beïnvloed door de watermoleculen eromheen en zijn in de meeste gevallen zwakker dan nodig.
Hier is hechting een elektrochemisch fenomeen dat alleen wordt geactiveerd wanneer het gel en het metaal onder stroom met elkaar in contact komen. Omdat EA afhankelijk is van een daadwerkelijke chemische liaison, wordt het niet beïnvloed door het omringende water.
Protheses en implantaten
Een andere potentiële toepassing van sticky metal ligt in biomedische toepassingen. De compatibiliteit van metaal met het menselijk lichaam is altijd een probleem geweest bij het gebruik van metalen implantaten. Het verbinden van metaal met zachte weefsels zonder ze te beschadigen is een moeilijk proces.
Als implantaten of protheses zoals ledematenvervangingen aan zachte weefsels konden hechten, zouden ze veel functioneler en praktischer worden. Het zou ook de levenskwaliteit van patiënten aanzienlijk kunnen verbeteren.
Afbeelding van RAEng_Publications van Pixabay
En omdat het proces gemakkelijk omkeerbaar is door een elektrische stroom te induceren, zullen sticky implantaten waarschijnlijk veel eenvoudiger te vervangen of te verwijderen zijn.
Geavanceerde toepassingen met Sticky Metal
Hard‑zacht ElectroAdhesion of EA is een opmerkelijke ontdekking met vele mogelijke toepassingen.
Het werkt niet alleen met vrijwel alle ionische gels en organische weefsels (bijna alles dat water en zouten bevat), maar het kan ook worden gebruikt met goedkope basismetalen zoals tin, koper en zelfs grafiet. Dankzij deze goedkope materialen heeft elke industriële toepassing een kans om kosteneffectief te zijn.
Het zou het robotica‑veld volledig kunnen veranderen, te beginnen met betere grijpers, vooral voor voedingsproducten zoals vlees, fruit en groenten. Vervolgens zou het de creatie van echte zachte robots mogelijk maken die harde en zachte/elastic onderdelen combineren.
Het zou ook veel eenvoudigere verbindingen met lichaamsprotheses en implantaten kunnen mogelijk maken, waardoor we een stap dichter bij ware cybernetische technologie komen.
Tot slot zou het toepassingen kunnen hebben buiten robotica en protheses, mogelijk nieuwe soorten batterijen creëren evenals onderwater‑ & omkeerbare lijmen.
