"Origami-robotar" är toppmoderna mjuka och flexibla robotar som testas för användning i olika applikationer, inklusive läkemedelstillförsel i människokroppar, sök- och räddningsuppdrag i katastrofmiljöer och humanoida robotarmar.

Eftersom dessa robotar måste vara flexibla, de är ofta gjorda av mjuka material som papper, plast och gummi. För att vara funktionell, sensorer och elektriska komponenter läggs ofta ovanpå, men dessa lägger till bulk till enheterna.

Nu, ett team av NUS-forskare har utvecklat en ny metod för att skapa ett nytt metallbaserat material för användning i dessa mjuka robotar.

Att kombinera metaller som platina med bränt papper (aska), det nya materialet har förbättrade möjligheter samtidigt som det bibehåller vikbarheten och de lätta egenskaperna hos traditionellt papper och plast. Faktiskt, det nya materialet är hälften så lätt som papper, vilket också gör den mer energieffektiv.

Dessa egenskaper gör detta material till en stark kandidat för att tillverka flexibla och lätta protesproteser som kan vara så mycket som 60 procent lättare än sina konventionella motsvarigheter. Sådana proteser kan ge belastningsavkänning i realtid för att ge feedback om hur mycket de böjer sig, ger användarna bättre kontroll och omedelbar information – allt utan behov av externa sensorer som annars skulle lägga oönskad vikt till protesen.

Denna lätta metalliska ryggrad är minst tre gånger lättare än konventionella material som används för att tillverka origamirobotar. Det är också mer energieffektivt, gör det möjligt för origamirobotar att arbeta snabbare med 30 procent mindre energi. Vidare, det nya materialet är brandbeständigt, vilket gör den lämplig för tillverkning av robotar som arbetar i tuffa miljöer då den tål att brännas vid ca 800°C i upp till 5 minuter.

Som en extra fördel, det nya ledande materialet har geotermisk uppvärmningskapacitet på begäran – att skicka en spänning genom materialet gör att det värms upp, som hjälper till att förhindra isskador när en robot arbetar i en kall miljö. Dessa egenskaper kan användas för att skapa ljus, flexibla sök- och räddningsrobotar som kan ta sig in i farliga områden samtidigt som de ger feedback och kommunikation i realtid.

Forskningsgenombrott publicerad i prestigefylld Vetenskapsrobotik tidning

Det metallbaserade materialet produceras genom en ny process utvecklad av teamet som kallas "grafenoxid-aktiverad schablonsyntes". Cellulosapapper blötläggs först i en grafenoxidlösning, innan du doppar det i en lösning gjord av metalljoner som platina. Materialet bränns sedan i en inert gas, argon, vid 800°C och sedan vid 500°C i luft.

Slutprodukten är ett tunt lager av metall—90 mikrometer (μm), eller 0,09 mm – består av 70 procent platina och 30 procent amorft kol (aska) som är tillräckligt flexibel för att böjas, vika ihop, och stretcha. Detta betydande forskningsgenombrott publicerades i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Vetenskapsrobotik den 28 augusti 2019. Även andra metaller som guld och silver kan användas.

Teamledaren biträdande professor Chen Po-Yen använde en cellulosamall utskuren i form av en fenix för sin forskning. "Vi är inspirerade av den mytiska varelsen. Precis som Fenixen, den kan brännas till aska och återfödas för att bli mer kraftfull än tidigare, " sa Asst Prof Chen, från NUS Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik.

Konduktiv ryggrad för smartare origamirobotar

Teamets material kan fungera som mekaniskt stabilt, mjuk, och ledande ryggrad som utrustar robotar med belastningsavkänning och kommunikationsmöjligheter utan behov av extern elektronik. Att vara ledande betyder att materialet fungerar som sin egen trådlösa antenn, så att den kan kommunicera med en fjärroperatör eller andra robotar utan behov av externa kommunikationsmoduler. Detta utökar omfattningen av origamirobotar, som att arbeta i högriskmiljöer (t.ex. kemikalieutsläpp och brandkatastrofer) som fjärrstyrda obundna robotar eller fungera som konstgjorda muskler eller humanoida robotarmar.

"Vi experimenterade med olika elektriskt ledande material för att äntligen få fram en unik kombination som uppnår optimal belastningsavkänning och trådlös kommunikationskapacitet. Vår uppfinning utökar därför biblioteket av okonventionella material för tillverkning av avancerade robotar, sade Yang Haitao, doktorand vid institutionen för kemi- och biomolekylär teknik och studiens första författare.

I nästa steg av sin forskning, Asst Prof Chen och hans team tittar på att lägga till fler funktioner till den metalliska ryggraden. En lovande riktning är att införliva elektrokemiskt aktiva material för att tillverka energilagringsenheter så att själva materialet är sitt eget batteri, möjliggör skapandet av självdrivna robotar. Teamet experimenterar också med andra metaller som koppar, vilket kommer att sänka kostnaden för materialets tillverkning.