Kleine, baksteenbrekende ‘spieren’ voor miniatuurrobotica zijn afkomstig van hout

Hout is de bron voor een steenbrekend mini-robotachtig spiermateriaal, ontwikkeld door onderzoekers in Zweden en Duitsland. Het materiaal – een speciaal ontwikkelde hydrogel – kan op verzoek van vorm veranderen, uitzetten en samentrekken als het wordt aangestuurd met elektronische impulsen van minder dan 1 volt.

Robotica is slechts één mogelijke toepassing van het materiaal, dat is gemaakt met cellulose-nanovezels (CNF’s) afkomstig van hout. De technologie biedt ook mogelijkheden in de geneeskunde en de biochemische productie.

De resultaten waren gerapporteerd in Geavanceerde materialen door onderzoekers van het KTH Royal Institute of Technology.

In tegenstelling tot robotspieren die uitzetten met de kracht van lucht of vloeistof onder druk, zwellen deze hydrogels op als gevolg van waterbeweging, aangedreven door elektrochemische pulsen, zegt Tobias Benselfelt, onderzoeker bij de afdeling Fiber Technology van het KTH Royal Institute of Technology.

De belangrijkste componenten van het materiaal zijn water, koolstofnanobuisjes als geleider en cellulose-nanovezels die afkomstig zijn uit houtpulp. Hoewel het materiaal een hydrogel is, ziet het eruit als stroken plastic wanneer het wordt gecombineerd met koolstofnanovezels.

De kracht van het materiaal komt voort uit de oriëntatie van de nanovezels in dezelfde richting, net als bij houtnerf. “Nanofiber-hydrogels zwellen uniaxiaal (op één as) en genereren hoge druk”, zegt Benselfelt. “Eén stuk van 15 x 15 cm kan een auto van 2 ton optillen.”

De zwelling van het materiaal kan elektronisch worden gecontroleerd door geleidende koolstofnanobuisjes aan de hydrogel toe te voegen, waardoor wat de onderzoekers elektrochemische osmotische hydrogelactuators noemen ontstaat.

KTH-professor Max Hamedi, co-auteur van het werk, zegt dat de inspiratie voor het project voortkwam uit de manier waarop planten groeien.

“Denk eens na over hoe sterk planten zijn”, zegt Hamedi. “Bomen kunnen door het trottoir heen groeien door dezelfde krachten die wij uitoefenen – we controleren die kracht alleen elektronisch.”

Een spannend aspect van het onderzoek is dat de porositeit van het materiaal elektronisch kan worden gecontroleerd”, zegt Benselfelt. De porositeit kan met wel 400 procent worden verhoogd, wat deze hydrogels tot een ideaal materiaal maakt voor elektroafstembare membranen om moleculen of medicijnen in situ te scheiden of te distribueren.

Deze nauwkeurig gecontroleerde uitzetting zorgt er ook voor dat het materiaal voldoende kracht kan uitoefenen om een ​​kleine steen te breken, wat de onderzoekers samen met hun onderzoek hebben aangetoond. Hoewel de onderzoekers zich voorlopig voorstellen dat het gebruik ervan beperkt blijft tot kleine apparaten zoals kleppen of schakelaars in de microfluïdica. “Momenteel worden ze in dunne vellen geleverd, wat hun gebruik als kunstmatige spieren voor grotere robots beperkt”, zegt Hamedi.

Als we verder in de toekomst kijken, zou een mogelijke toepassing van robotica onderwaterrobots kunnen zijn. Benselfelt zegt dat deze op grote diepte kunnen worden gebruikt, omdat hydrogels niet door waterdruk kunnen worden samengedrukt.

“Over het algemeen is het een stap richting zachte machines die levensecht zijn. Deze visie ligt echter nog heel ver in de toekomst”, zegt hij.

Een ander voordeel van de technologie is dat deze relatief goedkoop te vervaardigen is. Het team blijft het materiaal optimaliseren, elektronische spieren in 3D printen en onderzoeken hoe het kan worden geschaald voor commercieel gebruik.

Het onderzoek werd uitgevoerd bij KTH Royal Institute of Technology en het Digital Cellulose Center, en er waren medewerkers van het Max Planck Institute of Intelligent Systems, Linköping University en Technische Universität Braunschweig bij betrokken.