Rörliga pappersdelar för robotar

Forskare vid Inha University i Sydkorea har visat att cellulosa, huvudingrediensen i papper, kan böjas som svar på elektricitet. Den behandlade cellulosan är lätt, billig och har låga effektkrav jämfört med liknande elektriskt aktiva material.

Denna tunna film av guldbelagd cellulosa klaffar som trollsländevingar som svar på en elektrisk ström. Materialet, som kallas elektroaktivt papper, kan fungera som vingar för små flygande robotar. (Med tillstånd av Zoubeida Ounaies, Texas A&M University.)

De koreanska forskarna arbetar nu med NASA för att utveckla trådlöst drivna flygande fordon i storleken insekter med flaxande pappersvingar. Sådana fordon kan flyga in i områden som är osäkra för människor och testa för farliga gaser – eller övervaka Mars yta från luften.

[Klicka här för bilder av detta rörliga papper.]

Forskarna, med ledning av Jaehwan Kim , docent vid universitetet, tillverkade den elektriskt aktiva cellulosan genom att lösa pappersmassa, forma den till ark och belägga den med ett lager av guld som en elektrod. Vissa områden av cellulosafilmen är mycket ordnade, medan i andra områden är cellulosatrådarna trassliga som spagetti. Jonernas rörelse genom papperet – och själva cellulosasträngarnas rörelse, som har negativa och positivt laddade ändar – får papperet att böjas som svar på en elektrisk ström. Böjningen drivs av de ordnade regionerna, men fritt utrymme i oordnade regioner tillåter joner att flöda mer fritt och ökar papperets förmåga att deformeras.

Material som rör sig som svar på elektrisk ström kallas piezoelektrik. Kims cellulosa är en av en ny klass av dessa material, kallade elektroaktiva polymerer, som har skapat spänning i det vetenskapliga samfundet för deras potentiella användningsområden på många områden: konstgjorda muskler, kemiska sensorer, visuella skärmar, rörliga delar av robotar och batterier.

Värdet av elektriskt aktivt papper är att det är lätt och har en hög avböjning [rörelse] vid låg spänning jämfört med traditionella elektroaktiva polymerer, säger Sang Choi, senior forskare vid NASA Langley Research Center. När en liten spänning appliceras på Kims papper kan det röra sig ett relativt stort avstånd; till exempel, i experiment, förflyttades spetsen av en 30 millimeter lång remsa av elektroaktivt papper 4,2 millimeter. Styrkan hos det elektriska fältet som krävs för att flytta spetsen av papperet till dess maximala förskjutning är en till två storleksordningar mindre än vad som krävs av andra elektroaktiva polymerer. Och papperet kan ändra form snabbt och röra sig fram och tillbaka så snabbt som en gång var 0,06:e sekund.

NASAs Choi är intresserad av Kims material eftersom det, jämfört med konventionell piezoelektrik och andra elektroaktiva polymerer, är väldigt lätt och kräver väldigt lite ström. Tillsammans designar Choi och Kim ett litet flygande fordon med cellulosavingar som drivs av omgivande mikrovågor. Choi säger att NASA förväntar sig att sådana robotar kommer att spela en viktig roll i sina långsiktiga undersökningsuppdrag. Till exempel kan små robotar med rörliga delar gjorda av papper eller andra material flyga lågt över Mars-ytan för att övervaka dess topologi. Ändå är det inte klart att cellulosa kan motstå de extrema förhållandena i yttre rymden.

Cellulosafilmerna som Kim har gjort hittills kan inte utöva mycket kraft – ett måste för robotapplikationer. Så han jobbar med Zoubeida Ounaies , biträdande professor i flygteknik vid Texas A&M University, för att stärka denna smarta cellulosa. Ounaies lägger till kolnanorör, uppskattade för sin höga elektriska ledningsförmåga och styrka, till löst cellulosa. Blandningen är fortfarande under studie, men tanken är att filmer av cellulosasträngar som är intimt trasslade med kolnanorör kan utöva mer kraft än rena cellulosafilmer.

Cellulosa är billigt och lättillgängligt – Kims film kan till och med göras genom att behandla kommersiellt tillgängligt papper. Som jämförelse kostar den vanligaste elektriskt aktiva polymeren, polyanilin, $68 per gram, säger Victoria Finkenstadt , en forskningskemist hos USDA Agricultural Research Service. Även om robustheten och styrkan hos cellulosa ännu inte har demonstrerats, kan det också visa sig vara ett bra material för de konstgjorda muskler som används inom robotik, säger Finkenstadt.

Dessa material kan ge oss [robot] rörelse som vi aldrig har drömt om, säger Kwang J. Kim , docent i maskinteknik vid University of Nevada i Reno (som inte var involverad i cellulosaforskningen). Men Kim säger att området för elektriskt aktiva polymerer fortfarande är ungt, och forskare utvecklar fortfarande applikationer. Om några år till kommer intressanta teknologier, förutspår han.

Dölj