Robotics
'Kim loại dính' có thể có ứng dụng rộng rãi trong chế tạo robot, lưu trữ năng lượng và thậm chí cả giải pháp công nghệ sinh học
Securities.io duy trì các tiêu chuẩn biên tập nghiêm ngặt và có thể nhận được khoản bồi thường từ các liên kết được đánh giá. Chúng tôi không phải là cố vấn đầu tư đã đăng ký và đây không phải là lời khuyên đầu tư. Vui lòng xem công bố liên kết.
Kim loại dính cho robot mềm
Một vấn đề mà sự phát triển của robot liên tục gặp phải là sự phát triển của robot và hệ thống có thể xử lý được thế giới thực. Điều này thường đòi hỏi sự linh hoạt và các bộ phận “mềm”, thay vì các kết cấu cơ khí thuần túy.
Các cách tiếp cận khác nhau đang được thử nghiệm. Đáng chú ý, trước đây chúng tôi đã báo cáo về một vấn đề: tạo ra vật liệu từ tính mới để tạo ra cái gọi là “robot mềm”, mà chúng tôi đã thảo luận chi tiết trong bài viết của mình “Viên nang gel từ tính có thể cải tiến cả robot và y học".
Tuy nhiên, một cách tiếp cận khác là buộc các bộ phận kim loại và mềm lại với nhau. Điều này trước đây rất khó khăn, với các mối nối kim loại-hữu cơ là vấn đề chính.
Vấn đề này có thể đã được giải quyết bởi các nhà nghiên cứu Wenhao Xu, Faraz A. Burni và Srinivasa R. Raghavan, đang làm việc tại Đại học Maryland, Hoa Kỳ. Họ đã phát triển một loại “kim loại dính” có thể tạo ra mối nối chắc chắn và bền bỉ với hầu hết các vật liệu mềm như hydrogel, cơ bắp và thực vật.
Kim loại dính hoạt động như thế nào
Khám phá này dựa trên một nguyên tắc mới mà các nhà nghiên cứu gọi là chất kết dính điện cứng-mềm (EA).
Họ vẫn đang tìm cách giải thích đầy đủ cách thức hoạt động của nó, nhưng đây là những gì họ đã biết.
Chỉ một số kim loại hiển thị thuộc tính EA
Không phải tất cả kim loại đều có thể được sử dụng cho EA. Kim loại có tính khử dương, kim loại không có tính khử âm.
Kim loại không bám dính là kim loại bị oxy hóa đầu tiên ở cực dương. Quá trình oxy hóa (điện phân) kim loại này chiếm ưu thế hơn bất kỳ quá trình cạnh tranh nào, điều này giải thích tại sao không có độ bám dính.
Ngược lại, các kim loại bám dính tương đối trơ, cho phép chuỗi polymer của mạng gel bị oxy hóa trước tiên ở cực dương.
Điều này loại trừ các kim loại phổ biến như titan, kẽm, sắt và niken và điều đó có thể giải thích tại sao EA vẫn chưa được phát hiện cho đến tận bây giờ. Tuy nhiên, điều này vẫn bao gồm các kim loại phổ biến và rẻ tiền như thiếc, chì, đồng, cũng như than chì (không phải là kim loại mà là cacbon nguyên chất). Vì vậy, mặc dù đây có thể là một hạn chế nhưng đây không phải là yếu tố cản trở đối với bất kỳ hoạt động sử dụng nào trong các ứng dụng robot.
Nó hoạt động như thế nào?
EA được tạo ra khi có dòng điện tác dụng vào kim loại.
Lý thuyết cho rằng quá trình oxy hóa vật liệu mềm (gel hoặc loại khác) tạo ra liên kết hóa học giữa kim loại và chuỗi polymer. Các liên kết hóa học này tạo ra mối nối bền chặt giữa kim loại và vật liệu mềm, dẫn đến độ bám dính mạnh.
Quá trình này cũng có thể được đảo ngược dễ dàng bằng cách áp dụng một dòng điện nghịch đảo. Điều này tạo ra các điều kiện hóa học khử, làm “hòa tan” liên kết hóa học và hủy bỏ sự bám dính.
Lý thuyết này được củng cố bằng các thí nghiệm chứng minh rằng mọi thay đổi xảy ra trên hydrogel chỉ xảy ra ở bề mặt tiếp xúc với kim loại.
Có vẻ như bản chất và đặc điểm chính xác của liên kết hóa học sẽ khác nhau tùy thuộc vào thành phần hóa học tương ứng của kim loại và vật liệu mềm.
Keo kim loại dính có thể làm gì?
Bài báo khoa học được xuất bản chủ yếu tập trung vào khả năng bám dính của các loại hydrogel khác nhau, vì chúng tạo ra một loại vật liệu tốt để sửa đổi và thử nghiệm.
Tuy nhiên, các nguyên tắc này có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác, bao gồm cả cơ động vật hoặc thậm chí cả cà chua. Nhìn chung, yêu cầu duy nhất đối với vật liệu mềm là nó phải là chất dẫn ion, điều này đúng với hầu hết các mô sinh học.
Ấn tượng không kém, EA cũng có thể xảy ra dưới nước, nơi mà độ bám dính có thể là một điều rất khó đạt được.
Các ứng dụng có thể có của kim loại dính
Robot kẹp
Ứng dụng đầu tiên và có thể là ngay lập tức nhất của EA là phát triển các dụng cụ kẹp tốt hơn cho robot. Việc nắm bắt mọi thứ một cách chính xác mà không làm rơi hoặc ép chúng thành bột giấy là một vấn đề dai dẳng đối với robot.
EA không yêu cầu ngón tay robot phải có ngón tay, bàn tay, khớp hoặc các hình dạng phức tạp và cụ thể khác. Vì vậy, điều này có thể mở đường cho các giải pháp thay thế rẻ hơn, hiệu quả hơn và an toàn hơn cho các phương pháp hiện đang được sử dụng.
Nguồn: Corteva
pin
Pin hiệu quả và dễ sản xuất đang có nhu cầu cao từ xe điện và sự phát triển của năng lượng tái tạo trong cơ cấu năng lượng. Hầu hết các loại pin đều dựa vào việc kết nối hai cực dương và cực âm rắn bằng kim loại cứng (hoặc than chì) với chất điện phân ở giữa chúng.
Thông thường, chất điện phân là dạng gel trong dung môi dẫn ion.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu của Đại học Maryland đã kiểm tra xem liệu họ có thể sử dụng EA để tạo ra một loại pin mới hay không.
Họ đã sử dụng đồng và kẽm làm điện cực và tạo ra được loại pin 0.9V.
Đây chỉ là một bằng chứng về khái niệm được thực hiện bởi các chuyên gia không chuyên về pin. Tuy nhiên, họ nghĩ rằng pin dẻo và pin sạc có thể được tạo ra bằng những nguyên tắc tương tự. Và nó có thể mở đường cho một phương pháp sản xuất pin mới.
Robot mềm
Như đã đề cập trước đó, các kỹ sư robot từ lâu đã mơ ước về việc robot trộn lẫn các thành phần cứng và mềm, bắt chước cách động vật có cả xương cứng lẫn cơ & mô mềm.
Một thử nghiệm thô sơ đã được thực hiện để minh họa cách EA có thể được sử dụng cho mục đích này. Để làm được điều này, người ta sử dụng hỗn hợp các thành phần cứng (tấm than chì) và các thành phần mềm (hydrogel) để tạo ra “cấu trúc cứng-mềm chịu tải”.
Khi sử dụng tải trọng ngày càng tăng, cấu trúc đầu tiên hỗ trợ nó và sau đó bắt đầu uốn cong. Khi trọng lượng này được loại bỏ, các cột gel rút về trạng thái ban đầu và do đó tấm trên cùng di chuyển lên trên.
Riêng các phần tử cứng sẽ không thể nén hoặc biến dạng, trong khi chỉ riêng các phần tử mềm có thể bị tải trọng đè lên. Tuy nhiên, sự kết hợp này có thể chịu tải một cách linh hoạt mà không bị hư hỏng.
Bằng khả năng nén và “đẩy lùi”, một hệ thống như vậy có thể được sử dụng để chế tạo các bộ truyền động và robot có thể tương tác với môi trường của chúng một cách tinh tế.
Keo dán dưới nước
Dán bất cứ thứ gì trong môi trường nhiều nước hoặc dưới nước có thể là một thách thức kỹ thuật. Các liên kết dính thường bị ảnh hưởng bởi các phân tử nước xung quanh chúng và yếu hơn mức cần thiết trong hầu hết các trường hợp.
Ở đây, độ bám dính là một hiện tượng điện hóa chỉ xảy ra khi gel và kim loại tiếp xúc với nhau dưới tác dụng của dòng điện. Bởi vì EA dựa vào liên lạc hóa học thực tế nên nó không bị ảnh hưởng bởi nước xung quanh.
Chân tay giả và cấy ghép
Một ứng dụng tiềm năng khác của kim loại dính là trong các ứng dụng y sinh. Khả năng tương thích của kim loại với cơ thể con người luôn là vấn đề cần quan tâm khi sử dụng thiết bị cấy ghép kim loại. Việc kết nối kim loại với các mô mềm mà không làm hỏng chúng là một quá trình khó khăn.
Nếu các bộ phận cấy ghép hoặc chân tay giả như thay thế chi có thể được chế tạo để bám vào các mô mềm, thì chúng có thể trở nên hữu dụng và thiết thực hơn rất nhiều khi sử dụng. Nó cũng có thể cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống của bệnh nhân.
Hình ảnh của RAEng_Ấn phẩm từ Pixabay
Và bởi vì quá trình này có thể dễ dàng đảo ngược bằng cách tạo ra dòng điện, nên việc thay thế hoặc loại bỏ các mô cấy dính cũng có thể dễ dàng hơn rất nhiều.
Ứng dụng nâng cao với Sticky Metal
ElectroAdhesion cứng-mềm hay còn gọi là EA là một khám phá đáng chú ý với nhiều ứng dụng khả thi.
Nó không chỉ hoạt động với hầu hết tất cả các loại gel ion và mô hữu cơ (hầu hết mọi thứ có chứa nước và muối), mà còn có thể được sử dụng với các kim loại cơ bản rẻ tiền như thiếc, đồng và thậm chí cả than chì. Nhờ những vật liệu giá rẻ này, bất kỳ ứng dụng công nghiệp nào cũng có cơ hội cạnh tranh về chi phí.
Nó có thể thay đổi hoàn toàn lĩnh vực robot, bắt đầu với những dụng cụ kẹp tốt hơn, đặc biệt là đối với các sản phẩm thực phẩm như thịt, trái cây và rau quả. Sau đó, nó sẽ cho phép tạo ra các robot mềm thực sự có thể kết hợp các bộ phận cứng và mềm/đàn hồi.
Nó cũng có thể cho phép liên kết dễ dàng hơn nhiều với các bộ phận giả và bộ phận cấy ghép trong cơ thể, đưa chúng ta tiến một bước gần hơn tới công nghệ điều khiển học thực sự.
Cuối cùng, nó có thể có các ứng dụng ngoài robot và chân tay giả, có khả năng tạo ra các loại pin mới cũng như chất kết dính dưới nước và có thể đảo ngược.
