U članku od 15. maja objavljenom u časopisu Physical Review Letters, fizičari iz Virginia Tech-a otkrili su mikroskopski fenomen koji bi mogao uveliko poboljšati performanse mekih uređaja, kao što su agilni fleksibilni roboti ili mikroskopske kapsule za isporuku lekova.
Rad, koji su napisali doktorant Chinmai Katke, docent C. Nadir Kaplan i koautor Peter A. Korevaar sa Univerziteta Radboud u Holandiji, predlaže novi fizički mehanizam koji bi mogao ubrzati širenje i kontrakciju hidrogelova. Kao prvo, ovo otvara mogućnost za hidrogelove da zamene materijale na bazi gume koji se koriste za pravljenje fleksibilnih robota – omogućavajući ovim fabrikovanim materijalima da se možda kreću brzinom i spretnošću približnom onoj ljudskih ruku.
Mekani roboti se već koriste u proizvodnji, gde je uređaj sličan ruci programiran da zgrabi predmet sa pokretne trake – zamisli hot dog ili komad sapuna – i stavi ga u kontejner za pakovanje. Ali oni koji se sada koriste oslanjaju se na hidrauliku ili pneumatiku da bi promenili oblik „ruke“ da bi podigli predmet.
Slično našem telu, hidrogelovi uglavnom sadrže vodu i nalaze se svuda oko nas, na primer, žele za hranu i gel za brijanje. Čini se da su Katke, Korevaar i Kaplanovo istraživanje pronašli metodu koja omogućava hidrogelovima da nabubre i skupljaju mnogo brže, što bi poboljšalo njihovu fleksibilnost i sposobnost da funkcionišu u različitim okruženjima.
Živi organizmi koriste osmozu za takve aktivnosti kao što je pucanje semena koje raspršuje plodove u biljkama ili apsorbuje vodu u crevima. Normalno, o osmozi razmišljamo kao o toku vode koji se kreće kroz membranu, sa većim molekulima poput polimera koji se ne mogu kretati. Takve membrane se nazivaju polupropusne membrane i smatralo se da su neophodne za pokretanje osmoze.
Ranije su Korevaar i Kaplan radili eksperimente koristeći tanak sloj hidrogel filma koji se sastoji od poliakrilne kiseline. Oni su primetili da iako hidrogel film dozvoljava i vodi i jonima da prođu i nije selektivan, hidrogel brzo nabubri usled osmoze kada se joni oslobađaju unutar hidrogela i ponovo se skupljaju.
Katke, Korevaar i Kaplan razvili su novu teoriju da objasne gornju opservaciju. Ova teorija govori da mikroskopske interakcije između jona i poliakrilne kiseline mogu dovesti do toga da hidrogel nabubri kada su oslobođeni joni unutar hidrogela neravnomerno raspoređeni. To su nazvali „difuzio-foretsko oticanje hidrogelova“. Štaviše, ovaj novootkriveni mehanizam omogućava hidrogelovima da nabubre mnogo brže nego što je ranije bilo moguće.
Kaplan je objasnio: Meki agilni roboti se trenutno prave od gume, koja „radi posao, ali se njihovi oblici menjaju hidraulički ili pneumatski. Ovo nije poželjno jer je teško utisnuti mrežu cevi u ove robote kako bi se u njih isporučio vazduh ili tečnost .“
Zamislite, rekao je Kaplan, koliko različitih stvari možete da uradite svojom rukom i koliko brzo možete da ih uradite zahvaljujući vašoj neuronskoj mreži i kretanju jona ispod vaše kože. Pošto guma i hidraulika nisu tako raznovrsni kao vaša biološka tkiva, što je hidrogel, najsavremeniji mekani roboti mogu da rade samo ograničen broj pokreta.“
Katke je objasnio da proces koji su istraživali omogućava hidrogelovima da promene oblik, a zatim da se vrate u prvobitni oblik „na ovaj način značajno brže“ u mekim robotima koji su veći nego ikada ranije.
Trenutno, samo hidrogel roboti mikroskopske veličine mogu da reaguju na hemijski signal dovoljno brzo da budu korisni, a većim je potrebno nekoliko sati da promene oblik, rekao je Katke. Korišćenjem nove metode difuzioforeze, mekani roboti veliki i do jednog centimetra mogu da se transformišu za samo nekoliko sekundi, što je predmet daljih studija.
Veći agilni mekani roboti koji bi mogli brzo da reaguju mogli bi da poboljšaju pomoćne uređaje u zdravstvu, funkcije „pick-and-place” u proizvodnji, operacijama potrage i spasavanja, kozmetiku koja se koristi za negu kože i kontaktna sočiva.
