Robotikk
‘Sticky Metal’ kan ha omfattende anvendelser i robotikk, energilagring og til og med bioteknologiløsninger
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Sticky Metal for myke roboter
Et problem som utviklingen innen robotikk stadig støter på, er utviklingen av roboter og systemer som kan håndtere den virkelige verden. Dette krever ofte fleksibilitet og “myke” deler, i stedet for kun mekaniske konstruksjoner.
Ulike tilnærminger blir eksperimentert med. Merk at vi tidligere rapporterte om en: å lage nytt magnetisk materiale for å skape såkalte “myke roboter”, som vi diskuterte i detalj i artikkelen “Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine”.
En annen tilnærming ville imidlertid være å binde sammen metalliske og myke deler. Dette har historisk vært vanskelig, med metall‑organiske koblinger som hovedutfordring.
Dette problemet kan ha blitt løst av forskerne Wenhao Xu, Faraz A. Burni og Srinivasa R. Raghavan, som jobber ved University of Maryland, USA. De utviklet en type “sticky metal” som kan lage en sterk og holdbar kobling med de fleste myke materialer som hydrogel, muskler og planter.
Hvordan Sticky Metal fungerer
Oppdagelsen bygger på et nytt prinsipp forskerne kalte hard‑myk elektroadhesjon (EA).
De prøver fortsatt å fullt ut forklare hvordan det fungerer, men dette er det de allerede vet.
Kun noen metaller viser EA‑egenskaper
Ikke alle metaller kan brukes til EA. Metaller som har positiv reduksjonspotensial, mens de som ikke har det har negativ reduksjonspotensial.
Metaller som ikke fester seg er de som oksideres først ved anoden. Denne oksidasjonen (elektrolyse) av metallet dominerer over eventuelle konkurrerende prosesser, noe som forklarer hvorfor det ikke oppstår adhesjon.
Omvendt er metaller som fester seg relativt inerte, noe som gjør at polymerkjedene i gelnettet oksideres først ved anoden.
Dette utelukker vanlige metaller som titan, sink, jern og nikkel, og det kan forklare hvorfor EA ikke ble oppdaget før nå. Imidlertid inkluderer dette fortsatt vanlige og billige metaller som tinn, bly, kobber, samt grafitt (som ikke er et metall, men ren karbon). Så selv om dette kan være en begrensning, bør det ikke være en hindring for bruk i robotikkapplikasjoner.
Hvordan fungerer det?
EA oppstår når en strøm påføres metallet.
Teorien er at oksidasjonen av det myke materialet (gel eller annet) danner kjemiske bindinger mellom metallet og polymerkjedene. Disse kjemiske bindingene skaper en sterk kobling mellom metallet og det myke materialet, noe som gir sterk adhesjon.
Prosessen kan også reverseres enkelt ved å påføre en omvendt strøm. Dette skaper reduserende kjemiske forhold, som “løser opp” den kjemiske bindingen og fjerner adhesjonen.
Denne teorien støttes av eksperimenter som viste at enhver endring som skjer i hydrogel, kun forekommer på overflaten i kontakt med metallet.
Det ser også ut til at den eksakte naturen og egenskapene til den kjemiske bindingen vil variere avhengig av de respektive kjemiene til metallet og det myke materialet.
Hva kan Sticky Metal lime til?
Den publiserte vitenskapelige artikkelen fokuserer hovedsakelig på adhesjon til ulike typer hydrogel, da de er et godt materiale å modifisere og eksperimentere med.
Imidlertid kan prinsippene anvendes på mange andre materialer, inkludert dyremuskler eller til og med tomater. Generelt er det eneste kravet til det myke materialet at det er en ionisk leder, noe som gjelder for nesten alle biologiske vev.
Like imponerende kan EA også forekomme under vann, hvor adhesjon kan være svært vanskelig å oppnå.
Mulige anvendelser av Sticky Metals
Robotgrep
Den første og sannsynligvis mest umiddelbare anvendelsen av EA er å utvikle bedre gripeverktøy for roboter. Å gripe ting riktig uten å slippe dem eller knuse dem til en puré har vært et vedvarende problem for roboter.
EA krever ikke at en robotfinger har fingre, hender, ledd eller andre komplekse & spesifikke former. Dette kan derfor åpne for billigere, mer effektive og tryggere alternativer til de nåværende metodene.
Kilde: Corteva
Batterier
Effektive og lettproduserbare batterier er i høy etterspørsel fra elbiler og veksten av fornybar energi i energimiksen. De fleste batterier baserer seg på å koble to harde metalliske (eller grafitt) faste anode og katode med en elektrolytt imellom.
Svært ofte er elektrolytten en gel i et ionledende løsningsmiddel.
Dermed testet forskerne ved University of Maryland om de kunne bruke EA til å lage en ny type batteri.
De brukte kobber og sink som elektroder og klarte å lage et 0,9 V batteri.
Dette var kun et konseptbevis utført av ikke‑batterispesialister. De tror imidlertid at fleksible og oppladbare batterier kan skapes ved å bruke de samme prinsippene. Og det kan åpne for en ny batteriproduksjonsmetode.
Myke roboter
Som nevnt tidligere har robotingeniører lenge drømt om roboter som blander harde og myke komponenter, og etterligner hvordan dyr har både harde ben og myke muskler & vev.
En rudimentær test ble utført for å illustrere hvordan EA kan brukes til dette formålet. Til dette ble en blanding av harde komponenter (grafittplater) og myke komponenter (hydrogel) brukt for å lage en “last‑bærende” hard‑myk struktur”.
Ved økende belastning støttet strukturen den først, men begynte deretter å bøye seg. Når vekten ble fjernet, trakk gelpilarene seg tilbake til sin opprinnelige tilstand, og den øvre platen beveget seg oppover.
Harderelementer alene vil ikke være komprimerbare eller deformerbare, mens mykelementer alene kan bli knust av en belastning. Kombinasjonen kan derimot bære en belastning fleksibelt uten skade.
Ved å kunne komprimeres og “skyve tilbake”, kan et slikt system brukes til å lage aktuatorer og roboter som kan samhandle med omgivelsene på en delikat måte.
Vannbasert lim
Å lime noe i et vannrikt miljø eller under vann kan være en teknisk utfordring. Limbindingene påvirkes ofte av vannmolekylene rundt bindingen og er svakere enn det som kreves i de fleste tilfeller.
Her er adhesjon et elektrokjemisk fenomen som kun aktiveres når gel og metall er i kontakt under en strøm. Siden EA er avhengig av en reell kjemisk forbindelse, påvirkes den ikke av omgivende vann.
Proteser og implantater
En annen potensiell bruk av sticky metal er i biomedisinske anvendelser. Kompatibiliteten til metall med menneskekroppen har alltid vært et problem ved bruk av metalliske implantater. Å koble metallet til de myke vevene uten å skade dem er en vanskelig prosess.
Hvis implantater eller proteser som lemreplasser kunne få seg til å feste seg til myke vev, ville de bli mye mer funksjonelle og praktiske å bruke. Det kunne også forbedre pasientenes livskvalitet betydelig.
Bilde av RAEng_Publications fra Pixabay
Og siden prosessen er lett reversibel ved å indusere en elektrisk strøm, vil sticky-implantater sannsynligvis også være mye enklere å erstatte eller fjerne.
Avansert anvendelse med Sticky Metal
Hard‑myk elektroadhesjon eller EA er en bemerkelsesverdig oppdagelse med mange mulige anvendelser.
Den fungerer ikke bare med praktisk talt alle ioniske geler og organiske vev (nesten alt som inneholder vann og salter), men kan også brukes med billige basismetaller som tinn, kobber og til og med grafitt. Takket være disse lavkostmaterialene har enhver industriell anvendelse en sjanse til å være kostnadseffektiv.
Den kan fullstendig endre robotikkfeltet, med start i bedre gripeverktøy, spesielt for matvarer som kjøtt, frukt og grønnsaker. Deretter vil den muliggjøre skapelsen av ekte myke roboter som blander harde og myke/ elastiske deler.
Den kan også muliggjøre mye enklere koblinger til kroppens proteser og implantater, og bringe oss ett skritt nærmere ekte cyber‑teknologi.
Til slutt kan den ha anvendelser utover robotikk og proteser, potensielt ved å skape nye typer batterier samt vannbaserte & reversible lim.
