Biologisch afbreekbare kunstmatige spieren: een groen alternatief voor robotica

Wetenschappers hebben volledig biologisch afbreekbare, krachtige kunstmatige spieren ontwikkeld. Dit onderzoeksproject is een nieuwe stap op weg naar een groene technologie die een blijvende trend wordt op het gebied van zachte robotica.

Kunstmatige spieren zijn een voortschrijdende technologie die het op een dag mogelijk zou kunnen maken dat robots functioneren als levende organismen, verklaren onderzoekers van het Max Planck Instituut voor intelligente systemen in Stuttgart, van de Johannes Kepler Universiteit in Linz, Oostenrijk, en van de Universiteit van Colorado Boulder in de VS in een persbericht.

Dergelijke spieren openen nieuwe mogelijkheden voor de manier waarop robots de wereld om ons heen kunnen vormgeven; van ondersteunende draagbare apparaten die onze fysieke vermogens op oudere leeftijd opnieuw kunnen definiëren, tot reddingsrobots die door puin kunnen navigeren op zoek naar vermisten. Dat kunstmatige spieren tijdens het gebruik een sterke maatschappelijke impact kunnen hebben, betekent echter niet dat ze na gebruik een sterke impact op het milieu moeten hebben.

Nieuwe hartkleppen en bloedvaten van eigen weefsel

De ‘zelfherstellende’ hartkleppen en bloedvaten zijn geen sciencefiction, maar werkelijkheid.

Een nieuw, duurzaam ontwerp

De wetenschappers werkten samen om een volledig biologisch afbreekbare, krachtige kunstmatige spier te ontwerpen – op basis van gelatine, olie en bioplastic. Zij tonen het potentieel van deze biologisch afbreekbare technologie door deze te gebruiken om een robotgrijper te animeren, die bijzonder nuttig zou kunnen zijn voor eenmalig gebruik zoals afvalinzameling. Aan het einde van de levensduur kunnen deze kunstmatige spieren worden weggegooid in gemeentelijke compostbakken; onder gecontroleerde omstandigheden zijn ze binnen zes maanden volledig biologisch afbreekbaar.

“Wij zien een dringende behoefte aan duurzame materialen op het steeds snellere ontwikkelende gebied van robotica. Biologisch afbreekbare onderdelen zouden een duurzame oplossing kunnen bieden, vooral voor toepassingen voor eenmalig gebruik, zoals medische operaties, zoek-en-reddingsmissies en de manipulatie van gevaarlijke stoffen. In plaats van zich op te hopen op stortplaatsen aan het einde van de levensduur van het product, zouden de robots van de toekomst compost kunnen worden voor toekomstige plantengroei,” zegt Ellen Rumley, van CU Boulder, die actief betrokken was bij de studie.

“HASEL”

Concreet bouwde het team van onderzoekers een elektrisch aangedreven kunstmatige spier genaamd HASEL. In wezen zijn HASEL’s met olie gevulde plastic zakjes, gedeeltelijk bedekt met een paar elektrische geleiders, elektroden genaamd. Door een hoge spanning op het elektrodepaar aan te brengen ontstaan er tegengestelde ladingen, waardoor er een onderlinge kracht ontstaat die de olie naar een elektrodevrij deel van de zak duwt. Door deze oliemigratie trekt de zak samen, net als een echte spier. De belangrijkste voorwaarde voor het vervormen van HASEL’s is dat de materialen waaruit de plastic zak en de olie bestaan, elektrische isolatoren zijn, die de hoge elektrische spanningen die door de geladen elektroden worden opgewekt, kunnen weerstaan.

3D-printen met bacteriën zorgt voor botachtig composiet

Onderzoekers van de technische universiteit van Lausanne (EPFL) hebben een methode ontwikkeld om met een inkt van calciumcarbonaat producerende bacteriën te 3D-printen.

Biologische afbreekbaarheid is de sleutel, samen met prestaties

De volgende stap was het vinden van geschikte biologisch afbreekbare kunststoffen. Ingenieurs houden zich bij dit soort materialen vooral bezig met eigenschappen als afbraaksnelheid of mechanische sterkte, niet met elektrische isolatie; een vereiste voor HASEL’s die bij een paar duizend Volt werken.

Toch bleken sommige bioplastics een goede materiaalcompatibiliteit te hebben met gelatine-elektroden en voldoende elektrische isolatie. HASELs gemaakt van één specifieke materiaalcombinatie waren zelfs bestand tegen hoogspanningscycli zonder tekenen van elektrische storing of prestatieverlies. Deze biologisch afbreekbare kunstmatige spieren zijn ook elektromechanisch concurrerend met hun niet-biologisch afbreekbare tegenhangers.

“Door de uitstekende prestaties van dit nieuwe materialensysteem aan te tonen, geven we een stimulans aan de robotica-gemeenschap om biologisch afbreekbare materialen te overwegen als een levensvatbare materiaaloptie voor het bouwen van robots”, vervolgt Ellen Rumley. “Het feit dat we zulke geweldige resultaten met biokunststoffen hebben bereikt, motiveert hopelijk ook andere materiaalwetenschappers om nieuwe materialen te creëren met optimale elektrische prestaties in het achterhoofd.”