Da bi efikasno replicirali pokrete ljudi i životinja, roboti bi trebalo da integrišu strukture slične mišićima. Ovi veštački mišići treba da postignu optimalne performanse u svim relevantnim parametrima aktiviranja, uključujući gustinu energije, naprezanje, stres i mehaničku snagu.
Istraživači sa KAIST-a i Nacionalnog univerziteta Pusan u Južnoj Koreji nedavno su razvili aktuator za aplikacije robota koji je inspirisan skeletnim i mišićnim strukturama sisara. Ovaj aktuator, predstavljen u radu objavljenom u Nature Nanotechnologi, zasniva se na mekim vlaknima sa jakim kontraktivnim svojstvima aktiviranja.
„Saznao sam o aktuatorima od tečnog kristala od elastomera (LCE) tokom akademskog sastanka sa prof. Suk Kjun Ahnom, jednim od koautora rada“, rekao je Sang Ouk Kim, jedan od istraživača koji su sproveli studiju. Phis.org. „LCE su obećavajući meki materijali za aktuatore sa neobično velikom reverzibilnom promenom dimenzija (skupljanje / opuštanje) nakon aktiviranja, što se retko primećuje u drugim vrstama materijala aktuatora, ali je veoma značajno za idealno oponašanje prirodnog ponašanja skeletnih mišića.“
Mnogi aktuatori razvijeni u prošlosti zasnovani su na LCE materijalima, klasi polimera koji mogu brzo da promene oblik kao odgovor na stimulanse iz okoline. Uprkos njihovim prednostima preoblikovanja oblika, poznato je da su LCE polimeri povezani sa relativno lošim mehaničkim svojstvima i slabim ponašanjem pri pokretanju.
Da bi prevazišli ovo ograničenje, Kim i prof. An su odlučili da ugrade super-jaka grafenska punila u LCE aktuatore. Pored poboljšanja njihovih mehaničkih svojstava, tim je očekivao da će grafenska punila omogućiti brzu i daljinski upravljivu aktivaciju na osnovu svetlosti, zahvaljujući sposobnosti fototermalne konverzije grafena.
„Čisti LCE aktuatori generalno zahtevaju povišenje temperature, što je obično dugotrajan proces bez specifične prostorne kontrole, da bi se pokrenulo aktiviranje koje pokreće stanje poravnatog tečnog kristala u izotropno nasumično namotano stanje LCE molekula“, objasnio je Kim.
Aktuatori koje su razvili istraživači zasnovani su na mekim vlaknima i uključuju grafenska punila koja su fino eksfolirana u matrici LCE materijala. Kada se lasersko svetlo primeni na vlakno, efekat fototermalne konverzije povezan sa grafenskim punilom trenutno povećava temperaturu njegove okolne LCE matrice. Ovo dovodi do toga da molekuli LCE prelaze iz stanja poravnatog tečnog kristala u takozvano izotropno nasumično namotano stanje, što na kraju dovodi do smanjenja dužine vlakana na makroskopskoj skali.
„Kada se lasersko osvetljenje ukloni, vlakno vraća originalnu dužinu dok se LCE matrica trenutno hladi“, rekao je Kim. „Sinergističko uključivanje manjeg dela (~0,3 tež%) jakih punila grafena jača sam materijal aktuatora kao i njegove performanse pokretanja. Brza fototermalna konverzija omogućena grafenskim punilima takođe postiže reverzibilno, brzo aktiviranje velike snage, koje se može lako se može daljinski kontrolisati pomoću spoljne manipulacije svetlom.“
Jedna od najvrednijih karakteristika aktuatora koju su kreirali Kim i njegove kolege je reverzibilna perkolacija mreže punjača grafena unutar njega. Ovaj proces omogućava da se vlakna reverzibilno skupe i opuste nazad u svoju prvobitnu veličinu, istovremeno osiguravajući visoku mehaničku čvrstoću tokom čitavog ciklusa aktiviranja.
„Veliko reverzibilno skupljanje/opuštanje pokretanja uzdužnih vlakana izaziva reverzibilno sastavljanje i demontažu mreže punjača grafena unutar zapremine kompozitnog aktuatora“, rekao je Kim.
„Ovo ponašanje bez presedana u velikoj meri jača aktuator, posebno u skupljenom aktiviranom stanju i dovodi do intrigantne modulacije električne provodljivosti u zavisnosti od stanja aktiviranja, što je slično generisanju EMG signala prirodnih mišića. Primetno je da je inherentna mehanička slabost LCE aktuatora posebno u aktiviranom skupljenom stanju je dugogodišnji kritični izazov za praktičnu upotrebu LCE aktuatora.“
Istraživači su procenili svoj aktuator u nizu testova i otkrili da su postigli veoma obećavajuće rezultate. U stvari, oni su pokazali i povoljna svojstva preoblikovanja oblika aktuatora zasnovanih na LCE materijalima, istovremeno omogućavajući robustan i reverzibilan napon pokretanja.
„Naš aktuator na kraju postiže praktično značajne performanse pokretanja, koje na mnogo načina nadmašuju prirodne mišiće životinja, uključujući naprezanje pokretanja, stres, gustinu energije i snagu“, rekao je Kim. „Veštački mišići predstavljeni u prethodnim radovima ponekad su postigli superiorne performanse u jednoj ili nekoliko od tih karakteristika, ali još uvek nije bilo izveštaja o ovoj vrsti svestranih superiornih performansi u poređenju sa prirodnim mišićima.
Kim i njegove kolege su konačno demonstrirali potencijal svojih aktuatora implementirajući ih na mekim robotima i procenjujući njihov učinak na nizu zadataka. Otkrili su da su roboti bili u stanju da imitiraju različite pokrete ljudi i životinja, na primer, podizanje bučice od 1 kg, savijanje pojedinačnih prstiju na veštačkoj ruci i reprodukovanje pokreta inča.
Zanimljivo je da je tim testirao robotskog inchvorm-a zasnovanog na njihovom aktuatoru tako što ga je „trkao“ sa živim inchvorm-om. Njihov sistem je pobedio u trci, dodatno naglašavajući potencijal njihovog pokretača baziranog na jednom vlaknu za stvaranje super jakih i visoko efikasnih robota, bioničkih protetskih alata i možda čak i pametne odeće koja se može rekonfigurisati.
„Sledeći veliki izazov biće da integrišemo naš veštački mišić sa neuronskom aktivnošću“, dodao je Kim. „Ako se pojedinačna vlakna aktuatora mogu posebno kontrolisati i oponašaju neutralnu kontrolu, prirodne životinje poput sofisticiranih pokreta i kretanja bi trebalo da budu moguće dok su povezane sa ljudskim mozgom ili AI. Trenutno se većina aktuatora oslanja na tvrde mehaničke sisteme. Naš kompozitni meki aktuator bi bio obećavajući kandidat za bavi se inherentnim ograničenjima tradicionalnog mehaničkog sistema aktiviranja, kao što su velika težina i mehanička krutost, i da se postigne zaista prirodna životinja poput meke robotike.“
