Manipulering av hydrogel kan öka smidigheten och mångsidigheten hos modern robotik

En ny studie publicerad i den vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters avslöjar ett “mikroskopiskt fenomen” som gör att hydrogel kan kontrahera snabbare. Upptäckten, kallad Continuum Poroelastic Theory, kan få stora konsekvenser för många industrier, inklusive mjuk robotik. Den kan hålla nyckeln till att göra dessa enheter lättare och mer smidiga. Här är vad du behöver veta.

Hydrogel

Hydrogel är ett flexibelt, vatteninsulabelt material bestående av täta polymerkedjor. Dessa kedjor kan absorbera vätskor och behålla dem effektivt. I detta tillstånd består hydrogel huvudsakligen av vatten. Hydrogeler kan sedan släppa de lagrade vätskorna och kontrahera under stimuli. Detta stimuli kan vara kemiskt, såsom förändringar i pH, eller atmosfäriskt, såsom temperatur- eller fältförändringar.

Hydrogel har mjuka, flexibla egenskaper och kan hittas i ditt hårgel, tandkräm, kosmetika och andra vattenrika lösningar. Det används också ofta inom vården för sårförband, brännskottsvård och mer. För robotar kan det fungera som ett pålitligt alternativ till tyngre material som plast.

Hydrogel uppgraderar icke‑kompatibla robotar

Icke‑kompatibla, eller mjuka robotar, är tillverkade av olika böjbara material, vilket gör att de kan utföra unika uppgifter. Dessa specialbyggda enheter kan passa in i trånga utrymmen, navigera i komplexa ruiner och till och med hjälpa till med läkemedelsleverans. Enligt forskarna kan hydrogeler i framtiden ersätta gummi och hydrauliska komponenter i mjuka robotar.
Mjuka robotar har en stor fördel jämfört med sina styva motsvarigheter när det gäller vissa tillämpningar. För det första kan de anpassa sig för att fördela sitt tryck över ett större område, vilket ger dem en mjukare beröring. När dessa fördelar kombineras med förmågan att anpassa sig till nästan alla miljöer blir mjuka robotar den främsta lösningen för specifika uppgifter.

Current Systems

Hydraulik- och pneumatiska system dominerar för närvarande robotikindustrin. De är pålitliga och har funnits i årtionden i många former. Det finns dock betydande nackdelar med dessa system, särskilt när man diskuterar miniatyriserad och icke‑kompatibel robotik.

Till exempel måste icke‑kompatibla robotar som förlitar sig på dessa system för att förändra form integrera slangar, ledningar och pumpar. Dessa komponenter kan vara nästan omöjliga att skapa på mikroskopisk nivå. Även när de skalas upp lägger varje pump och slang till vikt på dessa små enheter. Vikt minskar en robots batteritid, rörlighet och mer. Följaktligen kan forskarnas hydrogelupptäckt hjälpa robotar att fungera med större mångsidighet samtidigt som vikten optimeras och nya användningsscenarier möjliggörs.

De tror att deras genombrott kan skjuta icke‑kompatibel robotik in i framtiden genom att möjliggöra större effektivitet och smidighet samtidigt som vikten minskar. Hydrogeler kan ersätta gummi av flera skäl. De största fördelarna är att de är lättare och eliminerar behovet av hydrauliska eller pneumatiska system. På så sätt blir mjuka robotar mindre komplexa att bygga.

Microscopic Phenomenon

Forskarnas beskriver upptäckten av ett mikroskopiskt fenomen som lärdes under undersökning av hydrogelers expansion och kontraktion under olika förhållanden. “Continuum Poroelastic Theory” introducerar en hydrogel‑centrerad lösning som uppfyller alla krav för mikrorobotik. Den är lätt, pålitlig, kontrollerbar och enklare att skapa än nuvarande alternativ.

Hydrogel Research Details

Forskare började med att skapa ett tunt lager av hydrogelfilm. Detta porösa lager tillät vatten och joner att passera fritt under vissa förhållanden. Den första avvikelsen som observerades var att en process känd som gel‑diffusiophoresis orsakar en plötslig ökning av gelens osmotiska tryck. Diffusiophoresis‑processen fick hydrogel att svälla omedelbart när joner infördes.
Noterbart krymper hydrogel till sin ursprungliga storlek efter att ha avlägsnat vätskan. De joninfunderade hydrogelerna expanderade och kontraherade hundratals gånger snabbare än de ursprungliga metoderna. Dessutom visade data att den diffusion‑fotoriska svällningsmetoden var mycket mer effektiv.

Ökad smidighet

Forskare är entusiastiska eftersom upptäckten kan hjälpa till att göra mjuka robotar mer smidiga. Till exempel har det varit ett mål att skapa en robothand med samma fingerfärdighet och smidighet som mänskliga händer. Teamet tror att denna upptäckt kan vara ett avgörande steg för att möjliggöra detta. Om den lyckas kommer mjuka robotar att ta över många fler uppgifter relaterade till mänsklig kontakt under de kommande åren.

Större robotar

En annan viktig upptäckt är att hydrogel kan användas för att skapa större mjuka robotar. För närvarande är de flesta mjuka robotar begränsade till mikroskopiska storlekar. Den extra kraften och minskade vikten hos hydrogel möjliggör att dessa enheter kan skalas upp till så stora som en centimeter. Noterbart är att små robotar ofta arbetar i svärmar för att förbättra effektiviteten.

Real-World Applications for Hydrogel Soft Robots

Det finns många verkliga tillämpningar för mjuka robotar. Idag kan dessa enheter hittas vid frukthämtning, lagerhantering och i framtiden utföra vårduppgifter. Här är de viktigaste sektorerna som mjuk robotik fortsätter att påverka.

Tillverkning

Den mest framträdande industrin för integration av mjuka robotar är tillverkning. Här kan du hitta handliknande enheter som används på transportband. Dessa enheter kan plocka upp känsliga föremål och placera dem i förpackningar eller sortera dem i specifika kategorier. I framtiden kommer dessa robotar att kunna “känna” vad de plockar upp med hjälp av avancerade sensorer och AI.

Sök- och räddning

Mjuka robotar kan spela en avgörande roll i att hitta överlevare efter naturkatastrofer. Det är vanligt att skräp hindrar räddningsinsatser och leder till ytterligare dödsfall efter stora katastrofer. Icke‑kompatibla robotar kan slingra sig genom katastrofområden och använda avancerade sensorer för att snabbare lokalisera överlevare. Dessa robotar kan hjälpa överlevare att kommunicera och till och med leverera livräddande förnödenheter när det behövs.

Utforskning

Icke‑kompatibla robotar kan också göra utforskning mer effektiv. Robotar är framtiden för djup rymd- och havsexploration. De kan gå djupare, resa längre och leverera mer värdefull data än mänskliga besättningar. Mjuka robotar, i synnerhet, kan nå tidigare osedda platser som havsdjup eftersom de kan anpassa sig till trycket och möjliggöra vidare forskningsinsatser inom nya vetenskapliga områden.

Hälsovård

Det finns många hälso- och sjukvårdstillämpningar för mjuka robotar. Dessa enheter kan hjälpa till att leverera mediciner, bekämpa sjukdomar, rena vatten och mycket mer. området bio‑robotik fortsätter att skapa innovativa hybridmaskiner som använder levande vävnad som en del av sina kärnkomponenter. Dessa enheter kan en dag förbättra livet för miljontals människor genom att skapa proteser som är osynliga för bäraren samt många andra livsförbättrande uppgraderingar.

Leading Robotics Companies

Robotikindustrin är en snabbväxande marknad som tidigare dominerades av endast några få nyckelspelare, såsom Boston Dynamics. Idag finns det mycket fler valmöjligheter, eftersom marknaden nu omfattar en mängd olika områden. Här är några robotikföretag som kan utnyttja hydrogeler för att förbättra sina erbjudanden.

1. Intuitive Surgical

ISRG Prisdiagram

Intuitive Surgical (ISRG ) är en pionjär på marknaden för robotik inom sjukvården. Detta unika företag har en rad produkter och tjänster som gör det särskiljande, inklusive kirurgiska assistenter, Da Vinci och Ion. Dessa högteknologiska lösningar bidrar till minimalt invasiva operationer. Noterbart är att den senaste Da Vinci‑uppgraderingen gör det möjligt för kirurger att känna av snitt via återkoppling och mer.
Intuitive Surgical är ett starkt tillskott till vilken portfölj som helst. Det amerikanska företaget är en del av NASDAQ‑100 och S&P 500. Dessutom är deras tjänster starkt efterfrågade. Specifikt listar företaget över 8 600 Da Vinci‑system som är distribuerade internationellt. Följaktligen har Intuitive Surgical byggt upp ett rykte som en global teknikledare inom robotikområdet.

2. UiPath

PATH Prisdiagram

UiPath (PATH ) är ett mjukvaruföretag för robotprocessautomatisering (RPA). Företaget skapar program som gör det möjligt för robotar att lära sig repetitiva uppgifter och sedan ta över dem från mänskliga motsvarigheter. Det grundades i Rumänien och flyttade till New York när det växte till en stor marknadskonkurrent. Idag är det världens ledande leverantör av RPA‑programvara.
UiPath blev marknadsledande på grund av sin konsekvens och prestanda. Företaget har upprepade gånger bevisat att deras tjänster kan hjälpa till att effektivisera företagsaktiviteter för flera högprofilerade kunder, inklusive Canon, EY, VITAL och TQL. Dessutom har företaget flera omnämnanden i Forbes. Alla dessa faktorer gör UiPath till en aktie som är värd att bevaka.

Problems with Soft Robots

Mjuka robotar har vissa problem som måste övervinnas för att uppnå storskalig adoption. För det första har de inte den robusta hållbarheten eller prestandan hos sina solida motsvarigheter. Det finns också vissa bekymmer när man diskuterar styrning av robotar med oändliga rörelsedegreer. Modellering av dessa enheters rörelser kräver mycket innovation och tid. Företag som UiPath kommer utan tvekan att spela en allt viktigare roll i utvecklingen av styrsystem för mjuka robotar i framtiden.

Researchers

Studien genomfördes av ett forskarlag lett av fysikern C. Nadir Kaplan från Virginia Tech och doktorand Chinmay Katke. Noterbart assisterades paret av professor C. Nadir Kaplan och Peter A. Korevaar från Radboud University i Nederländerna.

Hydrogel Could Make Soft Robots More Useful

Teamet bakom hydrogelupptäckten kan ha låst upp nyckeln till att göra mjuka robotar mer användbara. Hydrogeler kan ersätta gummi, hydraulik, aktuatorer och andra tyngre, mer komplexa alternativ. Av dessa skäl kan denna forskning betraktas som ett stort genombrott som är värt att följa i framtiden.

Läs om andra spännande robotikprojekt nu.