Trä är källan till ett tegelkrossande minirobotiskt muskelmaterial utvecklat av forskare i Sverige och Tyskland. Materialet – en specialutvecklad hydrogel – kan formskifta, expandera och dra ihop sig vid behov när det styrs med elektroniska impulser på mindre än 1 volt.
Robotik är bara en potentiell användning för materialet, som är tillverkat av cellulosa nanofibrer (CNF) som härrör från trä. Tekniken ger också möjligheter inom medicin och biokemisk produktion.
Resultaten rapporterades i Avancerat material av forskare vid Kungliga Tekniska Högskolan.
Till skillnad från robotmuskler som expanderar med kraften av tryckluft eller vätska, sväller dessa hydrogeler på grund av vattenrörelser som drivs av elektrokemiska pulser, säger Tobias Benselfelt, forskare vid Kungliga Tekniska Högskolans avdelning för Fiberteknologi.
Materialets nyckelkomponenter är vatten, kolnanorör som ledare och cellulosa nanofibrer som kommer från trämassa. Även om materialet är en hydrogel, ser det ut som plastremsor när det kombineras med kolnanofibrer.
Materialets styrka kommer från orienteringen av nanofibrerna i samma riktning, precis som i träfibrer. "Nanofiberhydrogeler sväller enaxligt - på en enda axel - och genererar högt tryck", säger Benselfelt. "En enda 15 x 15 cm bit kan lyfta en 2-tons bil."
Svällningen av materialet kan kontrolleras elektroniskt som ett resultat av att tillföra ledande kolnanorör till hydrogelen, vilket skapar vad forskarna kallar elektrokemiska osmotiska hydrogelaktuatorer.
KTH Professor Max Hamedi, som var medförfattare till arbetet, säger att inspirationen till projektet kom från hur växter växer.
"Tänk på hur starka växter är", säger Hamedi. "Träd kan växa upp genom trottoaren med samma krafter som vi använder – vi kontrollerar bara den kraften elektroniskt."
En spännande aspekt av forskningen är att materialets porositet kan kontrolleras elektroniskt", säger Benselfelt. Porositeten kan ökas med upp till 400 procent, vilket gör dessa hydrogeler till ett idealiskt material för elektroavstämbara membran för att separera eller distribuera molekyler eller läkemedel på plats.
Denna exakt kontrollerade expansion är också det som gör att materialet kan utöva tillräckligt med kraft för att bryta en liten tegelsten, vilket är vad forskarna visade i samband med sin studie. Men för närvarande föreställer sig forskarna att deras användning är begränsad till små enheter som ventiler eller omkopplare i mikrofluidik. "För närvarande kommer de i tunna ark, vilket begränsar deras användning som konstgjorda muskler för större robotar," säger Hamedi.
Om man ser längre in i framtiden kan en möjlig robotapplikation vara i undervattensrobotar. Benselfelt säger att dessa kan användas på stora djup eftersom hydrogeler inte kan komprimeras av vattentrycket.
"Allmänt sett är det ett steg mot mjuka maskiner som är verklighetstrogna. Denna vision ligger dock väldigt långt fram i tiden", säger han.
En annan fördel med tekniken är att den är relativt billig att tillverka. Teamet fortsätter att optimera materialet, 3D-printa elektroniska muskler och studera hur man skalar det för kommersiellt bruk.
Forskningen utfördes vid Kungliga Tekniska Högskolan och Digital Cellulose Center och involverade medarbetare vid Max Planck Institute of Intelligent Systems, Linköpings universitet och Technische Universität Braunschweig.
Mer information: Tobias Benselfelt et al, Elektrokemiskt kontrollerade hydrogeler med elektrotunerbar permeabilitet och uniaxiell aktivering, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202303255
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Kungliga Tekniska Högskolan
