Meki roboti koriste savitljive materijale kao što su elastomeri za bezbednu interakciju sa ljudskim telom i drugim izazovnim, delikatnim predmetima i okruženjem. Tim istraživača Univerziteta Rajs razvio je analitički model koji može predvideti vreme očvršćavanja silikonskih elastomera katalizovanih platinom u zavisnosti od temperature. Model bi mogao pomoći u smanjenju gubitka energije i poboljšanju protoka za proizvodnju komponenti zasnovanih na elastomeru.
„U našoj studiji, posmatrali smo elastomere kao klasu materijala koji omogućava meku robotiku, polje koje je doživelo ogroman porast u protekloj deceniji“, rekao je Daniel Preston, Rajsov docent mašinstva i odgovarajući autor na studija objavljena u Cell Reports Physical Science.
„Iako postoje neka srodna istraživanja o materijalima poput epoksida, pa čak i o nekoliko specifičnih silikonskih elastomera, do sada nije postojao detaljan kvantitativni prikaz reakcije očvršćavanja za mnoge komercijalno dostupne silikonske elastomere koje ljudi zapravo koriste za pravljenje mekih robota. Naš rad popunjava tu prazninu.“
Silikonski elastomeri katalizovani platinom koje su Preston i njegov tim proučavali obično počinju kao dve viskoelastične tečnosti koje se, kada se pomešaju, vremenom transformišu u čvrstu gumu. Kao tečna smeša, mogu se sipati u složene kalupe i tako koristiti za livenje složenih komponenti. Proces očvršćavanja se može odvijati na sobnoj temperaturi, ali se takođe može ubrzati korišćenjem toplote.
Proizvodni procesi koji uključuju elastomere se obično oslanjaju na empirijske procene temperature i trajanja da bi se kontrolisao proces očvršćavanja. Međutim, ovaj osnovni pristup otežava predviđanje kako će se elastomeri ponašati u različitim uslovima očvršćavanja. Posedovanje kvantitativnog okvira za određivanje tačno kako temperatura utiče na brzinu očvršćavanja omogućiće proizvođačima da maksimiziraju efikasnost i smanje otpad.
„Ranije je korišćenje postojećih modela za predviđanje ponašanja očvršćavanja elastomera u različitim temperaturnim uslovima bio mnogo izazovniji zadatak“, rekao je Te Faje Jap, diplomirani student u laboratoriji u Prestonu, koji je glavni autor studije. „Postoji ogromna potreba da se proizvodni procesi učine efikasnijim i da se smanji otpad, kako u pogledu potrošnje energije tako i materijala.
Da bi razumeli kako temperatura utiče na proces očvršćavanja, istraživači su koristili reometar – instrument koji meri mehanička svojstva tečnosti i mekih čvrstih materija – da analiziraju ponašanje očvršćavanja šest komercijalno dostupnih elastomera katalizovanih platinom.
„Uspeli smo da razvijemo model zasnovan na onome što se zove Arrhenius odnos koji povezuje ovu brzinu reakcije očvršćavanja sa temperaturom na kojoj se elastomer očvršćava“, rekao je Preston. „Sada imamo zaista lepo kvantitativno razumevanje tačno kako temperatura utiče na brzinu očvršćavanja.“
Arrheniusov okvir, formula koja povezuje brzinu hemijskih reakcija sa temperaturom, korišćena je u različitim kontekstima, kao što su obrada poluprovodnika i inaktivacija virusa.
Preston i njegova grupa su koristili okvir u nekim od svojih prethodnih radova i otkrili da se takođe primenjuje na reakcije očvršćavanja za materijale poput epoksida kao što je opisano u prethodnim studijama. U ovoj studiji, istraživači su koristili Arrheniusov okvir zajedno sa reološkim podacima kako bi razvili analitički model koji bi mogao direktno uticati na proizvodne prakse.
„U ovom radu smo zaista ispitali reakciju očvršćavanja kao funkciju temperature elastomera, ali smo takođe detaljno pogledali mehanička svojstva elastomera kada se očvršćavaju na povišenim temperaturama kako bi se postigle ove veće propusnosti i brzine očvršćavanja“, rekao je Preston.
Istraživači su sproveli mehaničko testiranje na uzorcima elastomera koji su očvršćeni na sobnoj temperaturi i na povišenim temperaturama kako bi videli da li tretmani zagrevanja utiču na mehanička svojstva materijala.
„Otkrili smo da izlaganje elastomera temperaturi od 70 stepeni Celzijusa (158 Farenhajta) ne menja svojstva zatezanja i pritiska materijala u poređenju sa komponentama koje su očvršćene na sobnoj temperaturi“, rekao je Jap.
„Štaviše, da bismo demonstrirali upotrebu ubrzanog očvršćavanja pri izradi uređaja, proizveli smo meke, pneumatski aktivirane hvataljke i na povišenim i na sobnim temperaturama, i nismo primetili nikakvu razliku u performansama hvataljki nakon pritiska.
Iako se činilo da temperatura nije imala uticaj na sposobnost elastomera da izdrže mehanički stres, istraživači su otkrili da utiče na prianjanje između komponenti.
„Recimo da smo već izlečili nekoliko različitih komponenti koje treba sastaviti u kompletan, meki robotski sistem“, rekao je Preston. „Kada zatim pokušamo da pričvrstimo ove komponente jedna na drugu, postoji uticaj na adheziju ili sposobnost da ih zalepimo zajedno. U ovom slučaju, na to u velikoj meri utiče stepen očvršćavanja koji se desio pre nego što smo pokušali da se povežemo.“
Istraživanje unapređuje naučno razumevanje kako se temperatura može koristiti za manipulisanje procesima proizvodnje koji uključuju elastomere, što bi moglo otvoriti prostor za dizajn meke robotike za nove ili poboljšane aplikacije. Jedna ključna oblast interesovanja je biomedicinska industrija.
„Hirurški roboti često imaju koristi od toga što su kompatibilni ili meki po prirodi jer rad unutar ljudskog tela znači da želite da smanjite rizik od uboda ili modrica tkiva ili organa“, rekao je Preston.
„Tako da mnogi roboti koji sada rade u ljudskom telu prelaze na mekšu arhitekturu i imaju koristi od toga. Neki istraživači su takođe počeli da razmatraju korišćenje mekih robotskih sistema kako bi pomogli da se pacijenti prikovani za krevet na duži vremenski period da pokuša da izbegne pritisak na određene oblasti“.
Druge oblasti potencijalne upotrebe za meku robotiku su poljoprivreda (na primer, branje voća ili povrća koje je lomljivo ili se lako kvari), pomoć u slučaju katastrofe (operacije traganja i spasavanja u pogođenim područjima sa ograničenim ili teškim pristupom) i istraživanje (sakupljanje ili rukovanje uzorcima).
„Ova studija pruža okvir koji bi mogao proširiti prostor za dizajn za proizvodnju termički očvrsnutih elastomera kako bi se stvorile složene strukture koje pokazuju visoku elastičnost, koje se mogu koristiti za razvoj medicinskih uređaja, amortizera i mekih robota“, rekao je Iap.
Jedinstvena svojstva silikonskih elastomera – biokompatibilnost, fleksibilnost, toplotna otpornost, apsorpcija udara, izolacija i još mnogo toga – nastaviće da budu prednost u nizu industrija, a trenutno istraživanje može pomoći da se proširi i poboljša njihova upotreba izvan trenutnih mogućnosti.
