I en artikel den 15 maj publicerad i tidskriften Physical Review Letters , Virginia Tech-fysiker avslöjade ett mikroskopiskt fenomen som avsevärt skulle kunna förbättra prestandan hos mjuka enheter, som smidiga flexibla robotar eller mikroskopiska kapslar för läkemedelstillförsel.
Uppsatsen, skriven av doktorand Chinmay Katke, biträdande professor C. Nadir Kaplan och medförfattare Peter A. Korevaar från Radboud University i Nederländerna, föreslår en ny fysisk mekanism som skulle kunna påskynda expansionen och sammandragningen av hydrogeler. För det första öppnar detta upp möjligheten för hydrogeler att ersätta gummibaserade material som används för att göra flexibla robotar – vilket gör att dessa tillverkade material kanske kan röra sig med en hastighet och fingerfärdighet som är nära den för mänskliga händer.
Mjuka robotar används redan i tillverkningen, där en handliknande enhet är programmerad att ta tag i ett föremål från ett transportband - föreställ dig en korv eller en bit tvål - och placera den i en behållare som ska förpackas. Men de som används nu använder sig av hydraulik eller pneumatik för att ändra formen på "handen" för att plocka upp föremålet.
I likhet med vår egen kropp innehåller hydrogeler för det mesta vatten och finns överallt omkring oss, t.ex. matgelé och rakgel. Katke, Korevaar och Kaplans forskning verkar ha hittat en metod som tillåter hydrogeler att svälla och dra ihop sig mycket snabbare, vilket skulle förbättra deras flexibilitet och förmåga att fungera i olika miljöer.
Levande organismer använder osmos för sådana aktiviteter som att spränga frön och sprida frukter i växter eller absorbera vatten i tarmen. Normalt tänker vi på osmos som ett flöde av vatten som rör sig genom ett membran, med större molekyler som polymerer som inte kan röra sig igenom. Sådana membran kallas semipermeabla membran och ansågs vara nödvändiga för att utlösa osmos.
Tidigare har Korevaar och Kaplan gjort experiment med att använda ett tunt lager hydrogelfilm bestående av polyakrylsyra. De hade observerat att även om hydrogelfilmen tillåter både vatten och joner att passera igenom och inte är selektiv, sväller hydrogelen snabbt på grund av osmos när joner frigörs inuti hydrogelen och krymper tillbaka igen.
Katke, Korevaar och Kaplan utvecklade en ny teori för att förklara ovanstående observation. Denna teori säger att mikroskopiska interaktioner mellan joner och polyakrylsyra kan få hydrogelen att svälla när de frigjorda jonerna inuti hydrogelen är ojämnt spridda ut. De kallade denna "diffusioforetisk svullnad av hydrogelerna." Dessutom tillåter denna nyupptäckta mekanism hydrogeler att svälla mycket snabbare än vad som tidigare varit möjligt.
Kaplan förklarade:Mjuka smidiga robotar tillverkas för närvarande med gummi, som "gör jobbet men deras former ändras hydrauliskt eller pneumatiskt. Detta är inte önskvärt eftersom det är svårt att trycka in ett nätverk av rör i dessa robotar för att leverera luft eller vätska in i dem ."
Föreställ dig, sa Kaplan, hur många olika saker du kan göra med din hand och hur snabbt du kan göra dem på grund av ditt neurala nätverk och jonernas rörelse under huden. Eftersom gummit och hydrauliken inte är lika mångsidiga som dina biologiska vävnader, som är en hydrogel, kan toppmoderna mjuka robotar bara göra ett begränsat antal rörelser."
Katke förklarade att processen de har undersökt gör att hydrogelerna kan ändra form och sedan ändras tillbaka till sin ursprungliga form "betydligt snabbare på detta sätt" i mjuka robotar som är större än någonsin tidigare.
För närvarande är det bara hydrogelrobotar i mikroskop som kan svara på en kemisk signal tillräckligt snabbt för att vara användbara och större kräver timmar för att ändra form, sa Katke. Genom att använda den nya diffusioforesmetoden kan mjuka robotar så stora som en centimeter kunna förvandlas på bara några sekunder, vilket är föremål för ytterligare studier.
Större smidiga mjuka robotar som kunde reagera snabbt skulle kunna förbättra hjälpmedel inom sjukvården, "plocka-och-placera"-funktioner vid tillverkning, sök- och räddningsoperationer, kosmetika som används för hudvård och kontaktlinser.
