Under de senaste 30 åren, Forskare har studerat aktiveringsmaterial som reversibelt kan ändra sin volym under olika stimuli för att utveckla mikro- och biomimetiska robotar, konstgjorda muskler och medicinsk utrustning.

Ett maskinteknikteam ledd av professor Alfonso Ngan Hing-wan, Ordförande professor i materialvetenskap och teknik, och Kingboard professor i materialteknik, Ingengörsfacilitet, University of Hong Kong (HKU) publicerade en artikel i Vetenskapsrobotik den 30 maj 2018 (EST) som introducerar ett nytt aktiveringsmaterial – nickelhydroxid-oxihydroxid – som kan drivas av synligt ljus, elektricitet, och andra stimuli. Aktiveringen kan omedelbart utlösas av synligt ljus för att producera en snabb deformation och utöva en kraft motsvarande 3000 gånger dess egen vikt. Materialkostnaden för ett typiskt ställdon är så lågt som 4 HKD per cm2 och kan enkelt tillverkas inom tre timmar.

Ljusinducerade manövermaterial är mycket önskvärda eftersom de möjliggör trådlös drift av robotar. Dock, mycket få ljusdrivna material är tillgängliga, och deras material- och produktionskostnader är höga, hindrar deras utveckling för faktiska tillämpningar.

Att utveckla manövermaterial identifierades som nr 1 bland de 10 stora utmaningarna Vetenskapsrobotik . Forskning inom manövermaterial kan radikalt förändra konceptet med robotar som nu huvudsakligen är motordrivna. Därför, material som kan aktiveras av trådlösa stimuli inklusive en förändring i temperatur, fuktighet, magnetiska fält och ljus är ett av de främsta forskningsområdena de senaste åren. Särskilt, ett material som kan påverkas av synligt ljus och producerar starka, snabb och stabil aktivering har aldrig uppnåtts. Det nya manövreringsmaterialsystemet, nickelhydroxid-oxihydroxid, som kan aktiveras av synligt ljus med relativt låg intensitet för att producera hög stress och hastighet jämförbar med däggdjursskelettmuskler har utvecklats i denna forskning initierad av ingenjörer vid HKU.

Förutom dess egenskaper för aktivering av synligt ljus, detta nya materialsystem kan också aktiveras av elektricitet för integration i befintlig robotteknik. Den är också känslig för värme- och fuktförändringar så att de potentiellt kan användas i autonoma maskiner som utnyttjar dessa små energiförändringar i miljön. Eftersom huvudkomponenten är nickel, materialkostnaden är låg.

Tillverkningen involverar endast elektroavsättning, vilket är en enkel process, och tiden som krävs för tillverkningen är cirka tre timmar. Därför, materialet kan lätt skalas upp och tillverkas inom industrin.

Den nyligen uppfunna nickelhydroxid-oxihydroxiden reagerar på ljus nästan omedelbart och producerar en kraft som motsvarar cirka 3000 gånger sin egen vikt (Figur 1).

När den integreras i en väldesignad struktur, en "miniarm" gjord av två gångjärn av manövermaterial kan enkelt lyfta ett föremål 50 gånger av dess vikt (Figur 2). Liknande, genom att använda en ljusblockerare, forskarna gjorde en mini walking bot där bara det främre benet böjs och rätas alternativt och därför rör sig under belysning så att det kan gå mot ljuskällan (Figur 3). Dessa visar att framtida tillämpningar inom mikrorobotik, inklusive räddningsrobotar, är möjliga.

Bevisen ovan visade att detta nickelhydroxid-oxihydroxidaktiverande material kan ha olika tillämpningar i framtiden, inklusive räddningsrobotar eller andra minirobotar. De inneboende aktiveringsegenskaperna hos materialen som erhållits från forskningen visar att genom att skala upp tillverkningen, konstgjorda muskler som är jämförbara med de hos däggdjursskelettmuskler kan uppnås.

Ur vetenskaplig synvinkel, detta nickelhydroxid-oxihydroxidaktiverande material är världens första materialsystem som kan aktiveras direkt av synligt ljus och elektricitet utan några ytterligare tillverkningsprocedurer. Detta öppnar också upp ett nytt forskningsfält om ljusinducerat manöverbeteende för hydroxid-oxihydroxider, som aldrig tidigare har rapporterats.