Быстрое распространение роботов и электронных устройств создает для мира новую и растущую экологическую нагрузку. По данным Института ООН по подготовке кадров и исследованиям (UNITAR), в 2022 году объем электронных отходов в мире достиг приблизительно 62 миллионов метрических тонн, значительная часть которых не была должным образом собрана или переработана, а вместо этого была захоронена на свалках или сожжена.
Поскольку мягкие роботы все чаще используются в различных секторах, включая здравоохранение, сельское хозяйство и охрану окружающей среды, отслужившие свой срок роботизированные системы становятся новым источником электронных отходов следующего поколения. В частности, мягкие роботы и связанные с ними электронные системы обычно изготавливаются из многослойных тонкопленочных конструкций, состоящих из термореактивных полимерных эластомеров, металлических сплавов и легированных полупроводников. Эти гетерогенные комбинации материалов делают переработку практически невозможной и препятствуют естественному разложению, что приводит к растущим опасениям по поводу принципиальной неустойчивости таких технологий.
В ответ на эти вызовы совместная исследовательская группа SNU–Sogang–JKU под руководством профессора Сын-Кюн Кана из Сеульского национального университета, профессора Сан-Юп Кима из Университета Соган и профессора Мартина Кальтенбруннера из Университета Иоганна Кеплера в Линце разработала полностью биоразлагаемую и компостируемую мягкую роботизированную электронную систему, которая сохраняет высокую производительность и долговечность во время работы, но полностью возвращается в природу после использования. В качестве конструкционного материала для роботизированного каркаса команда использовала безводный биоразлагаемый эластомер, поли(глицеролсебакат) (PGS), что позволило создать мягкие актуаторы с низким гистерезисом и превосходным упругим восстановлением.
Работа опубликована в журнале Nature Sustainability.
Изгибающий актуатор на основе PGS продемонстрировал замечательную долговечность, сохраняя практически неизменные углы изгиба и выходные усилия даже после миллиона циклов срабатывания, а также стабильную работу после длительного хранения. Кроме того, биоразлагаемые неорганические электронные компоненты, состоящие из магния (Mg), молибдена (Mo) и кремния (Si), были интегрированы для включения датчиков кривизны, деформации, тактильных ощущений, температуры, влажности и pH, а также нагревателей, электрических стимуляторов и модулей доставки лекарств в единый мягкий роботизированный палец, демонстрируя высокоинтегрированную, многофункциональную биоразлагаемую электронную платформу.
Когда вся роботизированная система была подвергнута условиям промышленного компостирования, как каркас, так и электронные компоненты разложились в течение нескольких месяцев. Тесты на рост растений, проведенные с использованием полученного компоста, подтвердили отсутствие токсичности для окружающей среды.
Профессор Кан заявил: «Это исследование преодолевает ограничения, традиционно связанные с биоразлагаемыми материалами, и демонстрирует мягкие роботизированные и электронные системы с практическим уровнем долговечности и производительности, устанавливая новый стандарт для устойчивой робототехники».
Доктор Кён-Суб Ким добавил: «Благодаря одновременному достижению высокой производительности, полной биоразлагаемости и экологической безопасности, эта платформа, как ожидается, послужит основополагающей технологией для перехода к экологически ответственной робототехнике и электронике».
В исследовании представлено принципиальное решение растущей проблемы отходов, связанных с робототехникой и электронными устройствами, и предложена новая парадигма, в которой интеллектуальные машины выполняют свои задачи и возвращаются в почву — не в виде отходов, а как часть природы.
