Robotik
Elektroadhesion: möjliga tillämpningar inom robotik, batterier och biomedicin
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Elektroadhesion mellan metall och mjuka material
Robotar som ska hantera verkliga miljöer behöver ofta kunna kombinera styva delar med mjuka, följsamma material. Det ställer krav på både konstruktion och sammanfogning.
Flera angreppssätt undersöks. Vi har tidigare beskrivit magnetiska material för mjuk robotik i artikeln ”Magnetiska gelkapslar kan föra robotik och medicin framåt”.
Ett annat angreppssätt är att förena metall med mjuka material. Att skapa en hållbar förbindelse mellan dem kan vara svårt.
Wenhao Xu, Faraz A. Burni och Srinivasa R. Raghavan vid University of Maryland undersökte en metod som låter vissa metaller och grafit fästa vid hydrogeler och utvalda biologiska material med hjälp av elektricitet.
Så fungerar elektroadhesionen
Forskarna kallar metoden elektroadhesion mellan hårda och mjuka material, EA.
Resultaten tyder på en elektrokemisk mekanism, men exakt vilka bindningar som bildas kan bero på materialen.
Materialvalet spelar roll
Alla metaller fungerade inte i försöken. En enkel uppdelning efter positiv eller negativ reduktionspotential är missvisande: även bly och tenn, som har negativa standardpotentialer, kunde fästa.
När metallens egen oxidation dominerar vid anoden kan den konkurrera med processerna som ger vidhäftning.
För material där ytan är tillräckligt beständig kan i stället oxidation av gelens polymer bidra till bindningen. Detta är en föreslagen mekanism, inte en universell regel för alla materialkombinationer.
I de redovisade försöken fäste bland annat koppar, tenn, bly och grafit, medan nickel, järn, zink och titan inte gjorde det under samma förhållanden. Grafit är kol, inte en metall. Valet för en viss tillämpning måste även ta hänsyn till säkerhet; bly är exempelvis olämpligt i många biologiska sammanhang.
Hur fungerar det?
Vidhäftningen aktiveras när en likspänning läggs över den mjuka delen och den ledande ytan i kontakt med den.
Enligt den föreslagna mekanismen bidrar oxidation nära kontaktytan till kemiska bindningar mellan materialens ytor.
När polariteten vänds kan reducerande förhållanden bryta eller förändra bindningarna så att materialen lossnar. Det innebär inte att varje materialkombination är lika lätt att lossa.
Försöken visade att förändringar i hydrogelen var koncentrerade till kontaktytan, vilket stödjer en lokal mekanism.
Bindningarnas exakta karaktär kan variera med gelens och elektrodens kemi.
Vilka mjuka material kan fästas?
Studien undersökte framför allt olika hydrogeler, vars sammansättning kunde varieras systematiskt.
Forskarna visade också vidhäftning till utvalda djur- och växtmaterial. Jonledningsförmåga är en viktig förutsättning, men inte bevis för att alla biologiska vävnader fungerar lika bra eller säkert.
Vidhäftning kunde även uppnås under vatten i de undersökta systemen. Det är relevant eftersom vatten ofta försvårar limning.
Möjliga tillämpningar
Robotgrepp
En möjlig tillämpning är robotgripdon som behöver hålla föremål utan att tappa eller skada dem.
Elektroadhesion kan ge alternativ till vissa mekaniska grepp. Gripdon behöver ändå utformas för sina uppgifter; lägre kostnad, bättre effektivitet och säkerhet är inte automatiska följder.
Källa: Corteva
Batterier
Efterfrågan på batterier ökar bland annat genom elfordon och energilagring. Batterier har två elektroder och en elektrolyt som leder joner mellan dem. Elektroderna består inte alltid av metall eller grafit.
Elektrolyten kan vara flytande, fast eller gelbaserad beroende på batterityp. Gel är inte det vanligaste alternativet i alla batterier.
Forskarna undersökte om elektroadhesion kunde användas för att montera en enkel elektrokemisk cell.
Med koppar- och zinkelektroder demonstrerade de en cell med ungefär 0,9 V.
Det var ett konceptförsök, inte ett färdigt uppladdningsbart batteri. Möjliga flexibla batterier och nya tillverkningsmetoder kräver fortsatt forskning.
Mjuk robotik
Mjuk robotik undersöker bland annat hur hårda och mjuka komponenter kan samverka, på liknande sätt som ben, muskler och annan vävnad i djur.
Ett enkelt försök kombinerade grafitplattor och hydrogel till en lastbärande struktur med styva och mjuka delar.
När belastningen ökade deformerades gelpelarna. Efter avlastning återgick de mot sin ursprungliga form och lyfte den övre plattan.
Kombinationen kan förena bärförmåga med följsamhet under de testade belastningarna. Varken hårda eller mjuka material är generellt oförstörbara, och även styva material kan deformeras.
En sådan återfjädrande konstruktion kan vara användbar i robotar. Den passiva återfjädringen i försöket är dock inte i sig en komplett aktiv aktuator.
Vidhäftning under vatten
Vatten kan påverka limfogar och göra sammanfogning svår.
Här aktiveras vidhäftningen elektrokemiskt vid kontaktytan. Den visade undervattensfunktionen betyder inte att salthalt, kemi och andra miljöförhållanden saknar betydelse.
Proteser och implantat
Biomedicinska användningar är en annan möjlighet. Att fästa metall vid mjuk vävnad kräver både mekanisk funktion och biologisk säkerhet.
Om metoden kan anpassas säkert kan den få betydelse för vissa implantat eller protesgränssnitt. Försök på material och vävnadsprover visar ännu inte klinisk nytta hos patienter.
Bild av RAEng_Publications från Pixabay
Att vidhäftningen kan styras elektriskt kan vara intressant vid framtida borttagning eller byte. Det kräver också säker strömtillförsel och kontroll av vävnadspåverkan.
Från laboratoriemetod till användning
Elektroadhesion mellan hårda och mjuka material erbjuder flera forskningsmöjligheter.
Metoden har demonstrerats med vissa jonledande mjuka material och relativt billiga ledare som koppar, tenn och grafit. Materialpris är bara en del av kostnaden för en fungerande produkt.
Robotgripdon och konstruktioner med blandade styva och elastiska delar är tänkbara användningar. Livsmedelshantering kräver dessutom kontroll av hygien, materialöverföring och säkerhet.
Proteser och implantat är mer krävande tillämpningar där biokompatibilitet och långtidsfunktion måste prövas.
Även batterimontering och reversibel sammanfogning under vatten kan undersökas. Resultaten är lovande laboratoriefynd och visar ännu inte att dessa produkter är kommersiellt eller kliniskt färdiga.
