07/11/2023
Door Ad Spijkers
Zweedse en Duitse onderzoekers ontwikkelden een hydrogel dat van vorm kan veranderen en kracht uitoefenen.
Hout is de bron voor een baksteen brekend mini-robotachtig spiermateriaal, ontwikkeld door onderzoekers van de Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) in Stockholm. Het onderzoek werd uitgevoerd bij KTH en het Digital Cellulose Center. Er waren ook medewerkers van het Max Planck Institut für intelligente Systeme in Stuttgart, Linköping University en de Technische Universität Braunschweig bij betrokken.
Het materiaal – een speciaal ontwikkelde hydrogel – kan op verzoek van vorm veranderen, uitzetten en samentrekken wanneer het wordt aangestuurd met elektronische impulsen van minder dan 1 V. Robotica is slechts één mogelijke toepassing van het materiaal, dat is gemaakt met cellulose-nanovezels (CNF's) afkomstig van hout. De technologie biedt ook mogelijkheden in de geneeskunde en de biochemische productie.
Kunstmatige spieren
Robotspieren zetten doorgaans uit met de kracht van lucht of vloeistof onder druk. Deze hydrogels zwellen op als gevolg van waterbewegingen die worden aangedreven door elektrochemische pulsen. De belangrijkste componenten van het materiaal zijn water, koolstofnanobuisjes als geleider en cellulose-nanovezels die afkomstig zijn van houtpulp. Hoewel het materiaal een hydrogel is, ziet het eruit als stroken plastic wanneer het wordt gecombineerd met koolstofnanovezels.
De zwelling van het materiaal kan elektronisch worden gecontroleerd door geleidende koolstofnanobuisjes aan de hydrogel toe te voegen, waardoor wat de onderzoekers elektrochemische osmotische hydrogelactuators noemen ontstaat. De kracht van het materiaal komt voort uit de oriëntatie van de nanovezels in dezelfde richting, net als bij houtnerf. Nanovezelhydrogels zwellen uniaxiaal – op één enkele as – en genereren hoge druk. Eén stuk van 15 cm x 15 cm kan een auto van 2 ton optillen.
De inspiratie voor het project kwam voort uit de manier waarop planten groeien. Planten zijn sterk; bomen kunnen door het trottoir heen groeien. Dat gebeurt door dezelfde krachten die de onderzoekers uitoefenen, alleen controleren zij die kracht elektronisch.
Potentiële toepassingen
Een spannend aspect van het onderzoek is dat de porositeit van het materiaal elektronisch kan worden gecontroleerd. De porositeit kan tot 400% worden verhoogd, wat deze hydrogels tot een geschikt materiaal maakt voor elektrisch afstembare membranen om moleculen of medicijnen in situ te scheiden of te distribueren.
Deze nauwkeurig geregelde uitzetting zorgt er ook voor dat het materiaal voldoende kracht kan uitoefenen om een kleine steen te breken, wat de onderzoekers hebben aangetoond. Niettemin verwachten de onderzoekers dat het gebruik ervan voorlopig beperkt blijft tot kleine apparaten zoals kleppen of schakelaars in de microfluïdica.
Momenteel wordt het materiaal nog in dunne vellen geleverd, wat hun gebruik als kunstmatige spieren voor grotere robots beperkt. Verder in de toekomst kijken zouden onderwaterrobots een mogelijke toepassing kunnen zijn. Volgens de onderzoekers kan het materiaal op grote diepte worden gebruikt, omdat hydrogels niet door waterdruk kunnen worden samengedrukt.
Een ander voordeel van de technologie is dat deze relatief goedkoop te vervaardigen is. Het team blijft het materiaal optimaliseren, elektronische spieren in 3D printen en onderzoeken hoe het kan worden geschaald voor commercieel gebruik. De foto toont de hydrogelspier (links) en een stukje hydrogel voordat het werd gecombineerd met koolstofnanobuisjes. De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: David Callahan