I en artikel som publicerades den 15 maj i tidskriften Physical Review Letters avslöjade fysiker från Virginia Tech ett mikroskopiskt fenomen som kraftigt skulle kunna förbättra prestanda för mjuka enheter, såsom smidiga flexibla robotar eller mikroskopiska kapslar för läkemedelstillförsel.
I artikeln, som är skriven av doktoranden Chinmay Katke, biträdande professor C. Nadir Kaplan och medförfattaren Peter A. Korevaar från Radboud University i Nederländerna, föreslås en ny fysisk mekanism som kan påskynda expansionen och sammandragningen av hydrogeler. För det första öppnar detta upp möjligheten för hydrogeler att ersätta gummibaserade material som används för att tillverka flexibla robotar – vilket gör att dessa tillverkade material kanske kan röra sig med en hastighet och skicklighet som ligger nära mänskliga händer.
Mjuka robotar används redan inom tillverkningsindustrin, där en handliknande enhet programmeras för att ta ett föremål från ett transportband – föreställ dig en varmkorv eller en tvålbit – och placera det i en behållare som ska förpackas. Men de som används nu använder sig av hydraulik eller pneumatik för att ändra formen på ”handen” som ska plocka upp föremålet.
Hydrogeler, som liknar vår egen kropp, innehåller mestadels vatten och finns överallt omkring oss, t.ex. i matgelé och rakgelé. Katke, Korevaar och Kaplans forskning verkar ha hittat en metod som gör att hydrogeler kan svälla och dra ihop sig mycket snabbare, vilket skulle förbättra deras flexibilitet och förmåga att fungera i olika miljöer.
Vad gjorde Virginia Tech-forskarna?
Levande organismer använder osmos för att t.ex. sprida frukter i växter eller absorbera vatten i tarmen. Normalt tänker vi på osmos som ett vattenflöde som rör sig genom ett membran, där större molekyler som polymerer inte kan ta sig igenom. Sådana membran kallas semipermeabla membran och man trodde att de var nödvändiga för att utlösa osmos.
Korevaar och Kaplan hade tidigare gjort experiment med ett tunt lager hydrogelfilm bestående av polyakrylsyra. De hade observerat att trots att hydrogelfilmen släpper igenom både vatten och joner och inte är selektiv, sväller hydrogelen snabbt på grund av osmos när joner frigörs inuti hydrogelen och krymper tillbaka igen.
Katke, Korevaar och Kaplan utvecklade en ny teori för att förklara ovanstående observation. Denna teori säger att mikroskopiska interaktioner mellan joner och polyakrylsyra kan få hydrogelen att svälla när de frigjorda jonerna inuti hydrogelen är ojämnt fördelade. De kallade detta ”diffusioforetisk svullnad av hydrogelerna”. Denna nyupptäckta mekanism gör dessutom att hydrogeler kan svälla mycket snabbare än vad som tidigare varit möjligt.
Varför är den förändringen viktig?
Kaplan förklarade: Mjuka, smidiga robotar tillverkas för närvarande av gummi, vilket ”gör jobbet men deras former ändras hydrauliskt eller pneumatiskt. Detta är inte önskvärt eftersom det är svårt att trycka in ett nätverk av rör i dessa robotar för att tillföra luft eller vätska till dem.”
Föreställ dig, säger Kaplan, hur många olika saker du kan göra med din hand och hur snabbt du kan göra dem tack vare ditt neurala nätverk och joners rörelse under huden. Eftersom gummi och hydraulik inte är lika mångsidiga som din biologiska vävnad, som är en hydrogel, kan de senaste mjuka robotarna bara göra ett begränsat antal rörelser.”
Hur kan detta förbättra våra liv?
Katke förklarar att den process som de har forskat fram gör att hydrogelen kan ändra form och sedan återgå till sin ursprungliga form ”betydligt snabbare på det här sättet” i mjuka robotar som är större än någonsin tidigare.
För närvarande är det bara hydrogelrobotar i mikroskopisk storlek som kan reagera på en kemisk signal tillräckligt snabbt för att vara användbara, och större robotar behöver timmar för att ändra form, säger Katke. Med hjälp av den nya diffusioforesmetoden kan mjuka robotar som är så stora som en centimeter kanske förändras på bara några sekunder, vilket är föremål för ytterligare studier.
Större, smidiga mjukrobotar som kan reagera snabbt skulle kunna förbättra hjälpmedel inom sjukvården, ”pick-and-place”-funktioner inom tillverkningsindustrin, sök- och räddningsoperationer, kosmetika som används för hudvård och kontaktlinser.
Ytterligare information: Chinmay Katke et al, Diffusiophoretic Fast Swelling of Chemically Responsive Hydrogels, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.208201
