Forskningsframsteget: Tegelstenskrossande "muskler" av trä till robotar
Trä är den primära beståndsdelen i ett tegelbrytande muskelmaterial för minirobotar som utvecklats av forskare vid KTH. Materialet - en specialutvecklad hydrogel - kan byta form; expandera och dra ihop sig på begäran när det styrs med elektriska impulser på mindre än en volt.
Robotteknik är ett potentiellt användningsområde för materialet, som tillverkas av cellulosa-nanofibrer (CNF) som härrör från trä. Tekniken ger också möjligheter inom medicin och biokemisk produktion.
Resultatet har precis publicerats i den vetenskapliga tidsskriften Advanced Materials av forskare vid KTH.
– Till skillnad från robotmuskler som expanderar med hjälp av trycksatt luft eller vätska, sväller dessa hydrogeler på grund av vattenrörelser som drivs av elektrokemiska pulser, säger Tobias Benselfelt, forskare vid avdelning för fiberteknologi på KTH.
Kan lyfta en bil
Materialets nyckelkomponenter är vatten, kolnanorör som ledare och cellulosa-nanofibrer som kommer från trämassa. Även om materialet är en hydrogel, ser det ut som plastremsor när det kombineras med kolnanofibrer.
– Materialets styrka kommer från nanofibrernas orientering i samma riktning, precis som i träådring. Nanofiber-hydrogeler sväller uniaxiellt - på en enda axel - vilket genererar högt tryck. En enda bit på 15 x 15 cm kan lyfta en bil om 2 ton, säger Tobias Benselfelt.
Materialets svullnad kan styras elektroniskt genom att man tillsätter elektriskt ledande kolnanorör till hydrogelen, vilket skapar det forskarna kallar "elektrokemiska osmotiska hydrogelaktuatorer".
KTH-professorn Max Hamedi, som är medförfattare till den vetenskapliga artikeln, säger att inspirationen till projektet kom från det sätt på vilket växter växer.
– Se hur starka växter är. Träd kan spränga upp genom trottoaren med hjälp av samma krafter som vi använder, med skillnaden att vi kontrollerar kraften elektroniskt, säger Max Hamedi.
Fler användningsområden
En spännande aspekt av forskningen är att materialets porositet (andelen porer i materialet) kan styras elektroniskt, enligt forskarna. Porositeten kan ökas med upp till 400 procent, vilket gör dessa hydrogeler till ett idealiskt material för tunna membran för att separera eller distribuera molekyler eller läkemedel inuti människokroppen.
Materialet exakt kontrollerade expansion är också vad som gör det möjligt för det att utöva tillräcklig med kraft för att bryta av en liten tegelsten, något forskarna demonstrerat i samband med sin studie. För närvarande ser forskarna dock framför sig att deras material är begränsat till små enheter som ventiler eller brytare i mikrofluidik.
– För närvarande finns materialet i tunna ark, vilket begränsar användningen som konstgjorda muskler för större robotar, säger Max Hamedi.
– Om vi blickar längre in i framtiden skulle en möjlig tillämpning inom robotteknik kunna vara undervattensrobotar. Dessa kan användas på stora havsdjup eftersom hydrogeler inte kan komprimeras av vattentryck. Generellt sett är forskningsarbetet ett steg mot mjuka maskiner som är verklighetstrogna, men den visionen ligger väldigt långt fram i tiden", säger Tobias Benselfelt.
En annan fördel med materialet är att den är relativt billig att tillverka. Forskarteamet fortsätter att optimera materialet, 3D-printa elektroniska muskler och studera hur man kan skala upp den för kommersiell användning.
Forskningen har genomförts vid KTH och Digital Cellulose Center, och involverat samarbetspartners vid Max Planck Institute of Intelligent Systems, Linköpings universitet och Technische Universität Braunschweig.
Text: David Callahan
För mer information, kontakta Tobias Benselfelt bense@kth.se