Ciepło z otoczenia dla robotów

fot. pixabay

Zespół naukowców z Chin i USA połączył siły, aby zaprojektować miękkie roboty z oscylatorem koordynacyjno-motorycznym (CoMO), który może wykonywać samowystarczalne mikroruchy, pobierając niewielkie ilości energii ze światła słonecznego lub ciepła otoczenia.

Sercem innowacji jest nowy, supramolekularny, elastyczny polimer na bazie polidimetylosiloksanu (PDMS), który jest dynamicznie usieciowany przez Eu3+ w jego centrum. Odkrycie opublikowano w czasopiśmie Angewandte Chemie.

Na poziomie molekularnym organizmy żywe przekształcają energię pozyskiwaną z otoczenia lub metabolizowaną ze spożywanego pożywienia w ruch. Do tego samego celu sztuczne systemy, takie jak miękkie roboty, wymagają znacznej ilości energii w postaci elektryczności, laserów lub grzałek. Nawet projekty, które opierają swoje działanie na różnicach temperatur zazwyczaj wymagają temperatur znacznie wyższych niż te, które spotykamy w codziennym życiu.

Aby stworzyć miękkie roboty niezależne od innych technologii, potrzebne są materiały, które potrafią czerpać energię z otoczenia i przekształcać ją w mechanizm lokomocji. Aby zbudować taki system, naukowcy zainspirowali się Salmonellą, której wici poruszają się w sposób ciągły poprzez dynamiczne wiązanie jonów. Opracowali tym samym CoMO, który do napędzania swojego ruchu wykorzystuje podobną strategię chemiczną - cykliczny proces zrywania i tworzenia wiązań. Jest on również znany jako sprzężenie chemo-mechaniczne.

Paski CoMO zaprojektowane przez badaczy składają się z dwóch warstw: pasywnej warstwy komercyjnego papieru celulozowego i aktywnej warstwy materiału gumopodobnego Eu-Pdimi-PDMS. Wiązania poprzeczne metal-ligand w materiale aktywnym zostały zaprojektowane tak, aby były wysoce dynamiczne, słabe i wrażliwe na temperaturę, umożliwiając odwracalne zrywanie wiązań po nagrzaniu i ich odtworzenie po schłodzeniu.

Po podgrzaniu warstwa aktywna rozszerza się 2000 razy bardziej niż jej pasywny odpowiednik, odsuwając pasek CoMO od źródła ciepła. W miarę przesuwania się na zewnątrz, zaczyna się ochładzać, a materiał ponownie się kurczy, gdy jony Eu ponownie zbliżają do siebie łańcuchy polimeru PDMS. Skurcz powoduje, że pasek wygina się z powrotem w kierunku źródła ciepła, rozpoczynając proces rozszerzania.

Zmotoryzowane roboty koordynacyjne CoMbot oscylują nawet wtedy, gdy różnica temperatur między ich najwyższym a najniższym położeniem wynosi zaledwie 2°C. Gradient temperatur w tym przypadku jest tak mały, że konwencjonalne siłowniki termiczne nie byłyby w stanie na niego zareagować.

Prototypy CoMbot wykonały ponad 4000 cykli stabilnej i ciągłej oscylacji przez pięć godzin na różnych ogrzewanych powierzchniach o temperaturach od 30°C do 100°C. Po pierwszych dwóch godzinach pracy zaobserwowano jedynie niewielki spadek długości rozszerzania. Zespół odkrył również, że zasada dynamicznego sprzężenia chemo-mechanicznego ma zastosowanie również do innych jonów metali, takich jak Al3+ i Zr4+.

Dzięki pozyskiwaniu energii z otoczenia, materiał ten mógłby zasilać bezakumulatorowe czujniki i roboty do monitorowania niedostępnych środowisk. Naukowcy są również przekonani, że po pewnych ulepszeniach CoMO mogą być wykorzystywane do budowy robotów biomedycznych, które mogłyby wejść do użytku w systemach biologicznych, w ramach których konwencjonalne źródła zasilania pozostają niedostępne.

(rr)