Egy új robot egyetlen csepp folyadékot képes „megfogni” és áttenni egy másik helyre

Egyetlen folyadékcsepp felszedése, mint amilyen pl. egy virágszirom felületén is előfordulhat, kihívást jelent minden ember számára. A most kifejlesztett új robotkar „ujjai” képesek megragadni egyetlen csepp folyadékot, és azt máshová áttenni emberi beavatkozás nélkül.

A tudósok eddig már rengeteg olyan eszközt terveztek, amelyek képesek felvenni bárhonnan a szilárd tárgyakat. A nagy mechanikus „kezek” fel tudják emelni akár az autókat is. A kisebb méretű robotkezek a lottógömböket húzhatják ki egy üveggömbből egy szerencsejáték sorsolásban. Most azonban sikerült tovább finomítani ezt a technikát, a robot ujjakkal most már mást is képesek lehetünk felemelni – pl. akár egyetlen folyadékcseppet egy virágszirom felületéről.



A mérnökök megalkották az első rugalmas „megfogókat”, amelyek képesek egyetlen csepp folyadékot felvenni és azt áthelyezni egy másik pontra. Az új robot ujjak rugalmas csipeszekből készültek. Mindegyik körülbelül akkora és olyan alakú, mint egy valódi emberi ujj. A kísérleti tesztek kimutatták, hogy egy ilyen robot ujj pár akár 2 milliméter átmérőjű cseppeket is képes megfogni.

Egy ilyen robotkar segíthet a tudósoknak a jövőben a biológiai folyadékok, például a vér vagy a nyál biztonságos kezelésében, mondta el Arun Kota a kutatás egyik vezetője. Ez a feladat különösen hasznos lehet azokban a laboratóriumokban, ahol a mintákat COVID-19, influenza vagy más fertőző betegségek jeleire vizsgálják. Kota alapvetően gépészmérnök a raleigh-i (Észak-Karolinában található) Állami Egyetemen, aki az utóbbi hónapokban ezeknek az új robot ujjaknak a kialakításán dolgozott.

„A fertőző folyadékok jelenleg óriási problémát jelentenek.” – mondta. – „Így mostantól használhatnánk ezeket a robotokat egyfajta védőpajzsként.”

Csapata a Materials Horizons nevű tudományos magazinban ismertette az új fejlesztést. Megmutatták, hogy a robot ujjak nem csak jól működnek, hanem olcsó anyagokból állíthatóak elő, például akár közönséges dupla ragasztószalagból is. A robot ujjak bármilyen cseppeket képesek megfogni.

Kota és csapata még mindig a tesztelési fázisnál tart, elmondásuk szerint még nem állnak készen a valós környezetekben történő használatra.

Az új robotkezek két mérnöki terület technológiáját ötvözik. Az egyik a puha robotika. Ellentétben a kemény és rögös anyagokból, például fémből készült robotkarokkal, a puha robot ujjak egyszerű anyagokból készülhetnek. Jianguo Zhao gépészmérnök, egy másik tudós, aki a robotkezeken dolgozott, ezzel párhuzamosan is puha robotokat fejleszt a Colorado Állami Egyetemen, Fort Collinsban.



A másik terület az anyagtudomány, ami Kota igazi szakterülete. Több mint 10 évvel ezelőtt kezdett el olyan anyagokat tanulmányozni, amelyek hidrofóbok (Hy-droh-FOH-bik) – azaz vízlepergetőek. Akkoriban ő is a Coloradoi Állami Egyetemen dolgozott. Nem akart megállni a víz taszításánál. Olyan dolgokat akart tervezni, amelyek minden folyadékot taszítanak. Wei Wanggal, egy máésik mérnökkel együtt a saját laborjában dolgozott ki ilyen anyagokat. Wang vezeti egyébként ezt az új tanulmányt.

„Sok anyag taszítja a vizet, de az alkohol vagy az olaj környezetében már nem taszítanak.” – mondta Kota. Új anyaguk leírására Wang és Kota megalkotta a „szuper-omnifób” fogalmat. Az Omni mindent jelent, a fób jelentése pedig taszító.

„A soft-robot technológia használata így egy természetes megoldás volt.” – mondta Zhao. „A puha robot rugalmassága, kiválóan alkalmassá tette olyan finom dolgok kezelésére, mint egy csepp folyadék, amit nem akarunk szétszedni.”

Kota és Zhao látta, hogy más tudósok is kis robotokat használnak szilárd anyagok mozgatására, de folyadékot soha egyik robottal sem próbáltak „megfogatni”. Már hat évvel ezelőtt elkezdték tesztelni a cseppek felemelésének lehetséges módjait.

Annak a résznek a kialakítása, amely mozgatja a robotot – az aktuátor – egyszerű volt. Zhao terve alapján készült. Nylonszálat (mint a horgászzsinórt) csavartak tekercsbe. Amikor feszültséget kapcsolunk egy ilyen tekercsre, a tekercs kitágul. Ily módon úgy viselkedik, mintha a robot „izma” lenne.

A kutatók a tekercset két vékony anyag közé helyezték. Az egyik merev volt, így ellenállt a hajlításnak. A másik anyag közönséges dupla ragasztószalag volt. Amikor feszültséget kapcsoltak rá, és a tekercs kitágult, a rugalmas szalag könnyen meghajlott – a másik anyag pedig nem.

„A merevség különbsége hajlító mozgást hozott létre.” – mondta Zhao. „A szemlélő számára ez úgy néz ki, mint egy emberi ujj, amely lassan hajlik be.”

Végül a szuper-omnifób bevonatot szórták a szalagra. Ez biztosította, hogy a folyadékcseppet a tobot ujjai megtarthassák anélkül, hogy hozzátapadnának.

Fontos, hogy hasznos célra fordítsuk

A megfelelő tervezéshez hónapokig tartó próbálkozás és a sok-sok hiba kiküszöbölésére volt szükség. Például a csapat nehezen talált bármi olyasmit, amihez egy szuper-omnifób anyag tapadni képes. Az volt ugyanis az elv, ha mindent taszít, akkor ne is ragadjon semmihez.

Kota mindezt a falra való festéshez hasonlította. Ha egy fal elkezd meghajolni, a festék általában leválik. Megjegyezte azonban, hogy „amikor a szerkezet deformálódik, a bevonatnak nem szabad leválnia”. Végül azt tapasztalták, hogy a szalag durva tapadófelülete megőrizte a bevonatot.

A csoport végül 2017-re fejezte be az elméleti szintű tervezést. Bármilyen menő volt is, mivel csak elméletben működött, így tulajdonképpen semmi haszna nem volt.

2020-ban azonban beütött a COVID-19 világjárvány. Ez a folyékony cseppmozgató ötlet megfelelő technológiának tűnt ahhoz, hogy segítsen az embereknek biztonságosan kezelni a mérgező vagy fertőző folyadékokat. „Miért ne használhatnák arra is, hogy egy edényből a folyadékot egy fiolába töltsük a segítségével diagnosztikai tesztek elvégzésére?” – tette fel a kérdést Kota.

Xiaoguang Dong szerint a csavart-tekercses technológia intelligens és egyszerű módot kínál a puha robot ujjak meghajlítására. Dong a Tennessee állambeli Nashville-ben található Vanderbilt Egyetem mérnöke. Dong szerint az új eszköz okosan ötvözi két meglévő robot technológiát. Ugyanakkor kételkedik abban, hogy a fertőző betegségek laboratóriumai tömegesen keresnének ilyen eszközt. „Számomra ez nem igazán praktikus.” – mondta. „A mozgatható cseppek száma nagyon kicsi. Függetlenül működtetett robotujjakra van szükség több egyidejű mozgatásához. Ha több száz cseppet akarunk mozgatni, azt hogy tehetjük meg?”

Kota és Zhao egyetértenek abban, hogy még több munkára van szükség ahhoz, hogy ezek a robotujjak valóban hasznosak legyenek. „Csak egy nagyon egyszerű mozdulatot mutattunk be.” – mondta Zhao. Csapata jelenleg mikrobiológusokkal és virológusokkal olyan új eszközökön dolgozik, amelyek az új robotujjakra támaszkodhatnak.

"Hogyan mozgathatjuk a cseppeket egy adott, reális helyzetben?" - kérdezte Kota. „Ha ezt ki tudnánk találni, az eszköz olcsó módot kínálhatna a laboratóriumi dolgozók védelmére.”