Ett tvärvetenskapligt team av forskare och ingenjörer från University of Minnesota Twin Cities har utvecklat en första i sitt slag, växtinspirerad extruderingsprocess som möjliggör tillväxt av syntetiskt material. Den nya metoden kommer att tillåta forskare att bygga bättre mjuka robotar som kan navigera på svåråtkomliga platser, komplicerad terräng och potentiellt områden i människokroppen.

Uppsatsen publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), en peer-reviewed, multidisciplinär vetenskaplig tidskrift med stor genomslagskraft.

"Detta är första gången dessa koncept har demonstrerats i grunden", säger Chris Ellison, en huvudförfattare till artikeln och professor vid University of Minnesota Twin Cities Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Att utveckla nya sätt att tillverka är av största vikt för vårt lands konkurrenskraft och för att ta fram nya produkter till människor. På robotsidan används robotar mer och mer i farliga, avlägsna miljöer, och det är den typen av områden där detta fungerar kan ha en inverkan."

Mjuk robotik är ett framväxande område där robotar är gjorda av mjuka, böjliga material i motsats till stela. Mjukt växande robotar kan skapa nytt material och "växa" när de rör sig. Dessa maskiner skulle kunna användas för operationer i avlägsna områden dit människor inte kan gå, som att inspektera eller installera rör under jord eller navigera inuti människokroppen för biomedicinska tillämpningar.

Nuvarande mjukväxande robotar drar ett spår av fast material bakom sig och kan använda värme och/eller tryck för att omvandla det materialet till en mer permanent struktur, ungefär som hur en 3D-skrivare matas med solid filament för att producera sin formade produkt. Men spåret av fast material blir svårare att dra runt kurvor och svängar, vilket gör det svårt för robotarna att navigera i terräng med hinder eller slingrande stigar.

Teamet från University of Minnesota löste detta problem genom att utveckla ett nytt sätt för extrudering, en process där material trycks genom en öppning för att skapa en specifik form. Genom att använda denna nya process kan roboten skapa sitt syntetiska material från en vätska istället för ett fast material.

"Vi blev verkligen inspirerade av hur växter och svampar växer", säger Matthew Hausladen, första författare till tidningen och doktor. student vid University of Minnesota Twin Cities Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Vi tog idén att växter och svampar lägger till material i slutet av kroppen, antingen vid rotspetsarna eller vid sina nya skott, och vi översatte det till ett tekniskt system."

Växter använder vatten för att transportera byggstenarna som omvandlas till fasta rötter när växten växer utåt. Forskarna kunde efterlikna denna process med syntetiskt material med en teknik som kallas fotopolymerisation, som använder ljus för att omvandla flytande monomerer till ett fast material. Med denna teknik kan den mjuka roboten lättare navigera i hinder och slingrande stigar utan att behöva släpa något fast material bakom sig.

Denna nya process har även tillämpningar inom tillverkning. Eftersom forskarnas teknik bara använder vätska och ljus, kanske operationer som använder värme, tryck och dyra maskiner för att skapa och forma material behövs inte.

"En mycket viktig del av det här projektet är att vi har materialforskare, kemiingenjörer och robotingenjörer som alla är inblandade," sa Ellison. "Genom att sätta ihop alla våra olika expertis, tillförde vi verkligen något unikt till det här projektet, och jag är övertygad om att ingen av oss kunde ha gjort detta ensam. Det här är ett bra exempel på hur samarbete gör det möjligt för forskare att ta itu med riktigt svåra grundläggande problem samtidigt som de har en teknisk inverkan."

Förutom Ellison och Hausladen inkluderade forskargruppen University of Minnesota Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap forskare Boran Zhao (postdoktor) och Lorraine Francis (College of Science and Engineering Distinguished Professor); och University of Minnesota Department of Mechanical Engineering forskare Tim Kowalewski (docent) och Matthew Kubala (doktorand). + Utforska vidare

Hydrogeler banar väg för framtiden för mjuk robotik