23/05/2024
Door Ad Spijkers
Natuurkundigen hebben een microscopisch fenomeen onthuld dat de prestaties van zachte apparaten aanzienlijk zou kunnen verbeteren.
Natuurkundigen van Virginia Tech in Blacksburg en de Radboud Universiteit in Nijmegen hebben ontdekt dat het fenomeen de prestaties van zachte apparaten aanzienlijk zou kunnen verbeteren. Daarbij kunt u denken aan behendige flexibele robots of microscopische capsules voor de toediening van medicijnen. De onderzoekers ontdekten, in samenwerking met de Radboud Universiteit, een nieuw fysiek mechanisme dat de uitzetting en samentrekking van hydrogels zou kunnen versnellen.
Dit biedt de mogelijkheid voor hydrogels om op rubber gebaseerde materialen te vervangen die worden gebruikt om flexibele robots te maken. Hierdoor kunnen de materialen misschien bewegen met een snelheid en behendigheid die dicht bij die van menselijke handen ligt.
Hydrogels
Zachte robots worden al gebruikt in de productie, waarbij een handachtig apparaat wordt geprogrammeerd om iets van een lopende band te pakken. Het plaatst bijvoorbeeld een hotdog of stuk zeep een container om te worden verpakt. Maar de handjes die nu in gebruik zijn, leunen nu op hydrauliek of pneumatiek om de vorm van de hand te veranderen om het voorwerp op te pakken.
Net als ons eigen lichaam bevatten hydrogels meestal water en zijn ze overal om ons heen aanwezig, bijvoorbeeld voedselgelei en scheergel. Het onderzoek lijkt een methode te hebben gevonden waarmee hydrogels sneller kunnen opzwellen en samentrekken, wat hun flexibiliteit en vermogen om in verschillende omgevingen te functioneren zou verbeteren.
Levende organismen gebruiken osmose voor activiteiten zoals het laten barsten van zaden, het verspreiden van fruit in planten of het absorberen van water in de darmen. Bij osmose denken we aan water dat beweegt door een membraan waar grotere moleculen zoals polymeren niet doorheen kunnen. Dergelijke membranen worden semi-permeabele membranen genoemd en men dacht dat ze nodig waren om osmose op gang te brengen.
Diffusioforetische zwelling
De onderzoekers in Nijmegen en Blacksburg hadden al eerder experimenten gedaan met een dunne laag hydrogelfilm uit polyacrylzuur. De hydrogelfilm laat zowel water als ionen door en is niet selectief, maar de hydrogel zwelt snel op als gevolg van osmose wanneer ionen vrijkomen in de hydrogel en krimpt weer.
De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe theorie om de bovenstaande observatie te verklaren. Deze theorie vertelt dat microscopische interacties tussen ionen en polyacrylzuur er voor kunnen zorgen dat de hydrogel opzwelt wanneer de vrijgekomen ionen in de hydrogel ongelijkmatig zijn verspreid. Ze noemen dit 'diffusioforetische zwelling van de hydrogels'. Bovendien zorgt dit nieuw ontdekte mechanisme ervoor dat hydrogels veel sneller kunnen opzwellen dan voorheen mogelijk was.
Robothanden
Zachte, wendbare robots worden momenteel gemaakt van rubber. Dat werkt maar hun vormen moeten hydraulisch of pneumatisch worden veranderd. Helaas is het vaak moeilijk om buizen in deze robots te printen om er lucht of vloeistof in te brengen. Robots zouden veel verschillende dingen snel met hun kunnen doen dankzij met een neurale netwerk en de beweging van ionen onder de huid. Omdat rubber en hydrauliek niet zo veelzijdig zijn als biologische weefsels, kunnen state-of-the-art zachte robots slechts een beperkt aantal bewegingen uitvoeren.
Het proces dat de natuurkundigen hebben onderzocht, zorgt er voor dat de hydrogels van vorm kunnen veranderen en vervolgens sneller kunnen terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. Dat kan  in zachte robots die groter zijn dan ooit tevoren.
Toepassing
Op dit moment kunnen alleen hydrogelrobots van microscopisch formaat snel genoeg reageren op een chemisch signaal om bruikbaar te zijn. Grotere roots hebben uren nodig om van vorm te veranderen. Door gebruik te maken van de nieuwe difusioforesemethode kunnen zachte robots zo groot als een centimeter mogelijk in slechts een paar seconden transformeren, wat onderwerp is van verder onderzoek.
Grotere wendbare zachte robots die snel kunnen reageren, zouden hulpmiddelen in de gezondheidszorg, pick-and-place functies in de productie, zoek- en reddingsoperaties, cosmetica voor huidverzorging en contactlenzen kunnen verbeteren.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Spencer Coppage voor Virginia Tech.