Planter har vært en betydningsfull inspirasjonskilde for utviklingen av myke roboter, særlig med tanke på deres vekstmekanismer, bevegelsesstrategier og adaptive respons på omgivelsene. I motsetning til dyr, som kan bevege seg raskt ved hjelp av muskler, opererer planter med langsommere mekanismer som hydraulikk og differensial vekst, noe som harmonerer godt med prinsippene for myk robotikk.

Planter utviser to hovedtyper av bevegelse: tropismer og nastier. Tropismer er vekst eller bevegelser som retter seg mot eller bort fra en stimulus, der retningen på bevegelsen avhenger av stimulusens posisjon. Eksempler inkluderer fototropisme (vekst mot lys), gravitropisme (vekst i forhold til tyngdekraften), skototropisme (vekst bort fra lys) og tigmotropisme (vekst som respons på berøring). Nastier, derimot, er bevegelser som ikke er avhengige av stimulusens retning, som tigmonasti (reaksjon på berøring eller vibrasjon) og nyktinasti (rytmiske bevegelser knyttet til døgnrytme, som lukking av blader om natten).

Fra perspektivet til myk robotikk er det særlig interessant hvordan planter responderer på endringer i miljøforhold som relativ luftfuktighet, og på eksterne stimuli. Humiditetsrespons i planter baseres ofte på dødt vev hvor celleveggen sveller eller krymper, noe som gir bevegelse. Mekanisk respons skjer derimot i levende celler, og utløses av endringer i turgortrykk – det indre vanntrykket i plantecellene.

Et velkjent eksempel på humiditetsrespons er løvetannens pappus, den paraplylignende strukturen festet til frøene. Den åpner seg i tørre forhold for å maksimere vindspredning, og lukker seg i fuktige omgivelser for å redusere luftmotstand og legge frøet til ro. Denne bevegelsen drives av asymmetrisk svelling og krymping i pappusens vev, der den ene siden tar opp fuktighet raskere enn den andre og skaper en bøyning.

Når det gjelder raskere bevegelser, har planter utviklet tre biomekaniske strategier for å overvinne sin generelle langsomhet. Den første er bistabile snap-through-mekanismer, hvor elastisk energi lagres i en forhåndsbelastet struktur og plutselig frigjøres når strukturen skifter mellom to stabile tilstander. Et klassisk eksempel er Venusfluefellen, som lukker seg i løpet av omtrent 100 millisekunder ved et snap-through når trigghårene stimuleres. Dette utnytter endringer i turgortrykk til å drive en svært rask bevegelse.

Den andre strategien er kavitasjonsfrigjøring, som skjer når negativt trykk i vannfylte celler fører til dannelse av dampbobler (kavitasjon). Disse boblene kollapser raskt og frigjør energi. For eksempel bruker bregner denne mekanismen i spredning av sporer, der cellene i annulus tørrlegges og skaper spenningsoppbygging som avsluttes med en hurtig, katapultlignende utløsing av sporer.

Den tredje mekanismen er frakturutløsning, der lagret elastisk energi plutselig frigjøres ved at en svak sone eller bruddpunkt gir etter. For eksempel kaster planten Impatiens capensis frø eksplosivt ved at spenninger som bygges opp i fruktveggen frigjøres gjennom et mekanisk brudd.

Disse naturlige mekanismer gir verdifull innsikt i hvordan man kan utvikle myke roboter med evne til å reagere og tilpasse seg miljøet uten behov for raske motorer eller tradisjonelle drivsystemer. De bygger på passive fysiske prosesser som osmose, turgortrykk og elastiske spenninger, og viser hvordan man kan oppnå både langsomme og raske bevegelser ved hjelp av strukturell og materiell design.

Det er viktig å forstå at selv om plantebaserte myke roboter ofte har en langsommere responstid sammenlignet med konvensjonelle aktuatorer, kan de kompensere dette gjennom smarte strukturelle løsninger som utnytter store kontaktflater og friksjon til å forankre og stabilisere seg i miljøet. Samtidig krever slike systemer nøye tilpasning av materialegenskaper og geometriske former for å optimere bevegelse og funksjon. Dette innebærer at utvikling av biomimetiske systemer ikke bare handler om å kopiere naturens former, men om å forstå og anvende de underliggende fysiske og kjemiske prinsippene som styrer disse bevegelsene.

Endelig bør man også erkjenne at planteinspirerte mekanismer ofte kombinerer flere typer stimuli og responsmekanismer i komplekse samspill, noe som åpner for muligheter til å lage multifunksjonelle og adaptive systemer som kan operere i dynamiske miljøer med minimal energibruk.

Hvordan fungerer biologisk inspirerte mekanismer i myke roboter og hvilke drivstoffalternativer finnes?

I naturen finnes en rekke avanserte mekanismer som planter og dyr benytter for å utføre raske, presise og energibesparende bevegelser. Et godt eksempel er frøspredning hos planter som når en kritisk trykkgrense i ventiler, fører til at ventiler løsner fra kolumellaen, og frøene slynges ut med høy hastighet i løpet av få millisekunder. Denne raske frigjøringen skjer ved at kapselen knekker og ruller seg sammen, en prosess som kan sammenlignes med en mekanisk fjær som frigjøres når den spenningen overstiger en terskelverdi. Forståelsen av slike naturlige mekanismer har gjort det mulig for forskere å utvikle robotiske kopier som etterligner disse grunnleggende bevegelsene, både passive og aktive, innen soft robotics.

Plantenes vekst ved hjelp av celleforlengelse og celledeling illustrerer også et biologisk prinsipp som har inspirert utviklingen av myke roboter. Ved å benytte teknologier som additiv materialpåføring eller inflasjonsbasert forlengelse, kan roboter bevege seg og tilpasse seg omgivelsene på lignende måte som planter som vokser mot næringskilder. Et slikt eksempel er "eversion machines" som vokser ved å rulle ut en tynn tube fra tuppen, tilsvarende rotvekst. I tillegg kan kontrollert osmose, styrt via elektriske signaler, regulere turgortrykket i en robotisk slyngplante og skape bevegelser som minner om levende organismer.

Luminescens er en annen biologisk egenskap som myke materialer kan etterligne, både for aktivering, sansing og kommunikasjon. I naturen brukes bioluminescens til forskjellige formål som kommunikasjon, forsvar og jakt. Lysutslipp i organismer som ildfluer og dypvannsfisk skjer gjennom kjemiske reaksjoner og gir evolusjonsmessige fordeler, enten ved å tiltrekke seg partnere, advare fiender eller lure byttedyr. I robotikk har man utviklet elastomerer med innkapslede hydrogel-elektroder og fosfor-dopede dielektriske materialer som kan avgi lys selv under store deformasjoner, og som kan tilpasses til å sende optiske signaler i ulike bølgelengder.

Når det gjelder drivstoff for myke maskiner, tilbyr kjemiske drivstoff enestående spesifikk energi sammenlignet med andre energilagringsmetoder. Naturlige muskler konverterer kjemisk energi til mekanisk arbeid med høy effektivitet, og dette er et forbilde for myk robotikk. Flere kjemiske aktueringsmetoder har blitt undersøkt: forbrenning av drivstoff som metan eller butan kan gi kraftig aktuasjon uten behov for eksterne motorer, mens hydrogenperoksiddekomponering gir oksygengass som utvider elastiske kamre. Sistnevnte metode tillater trådløs drift, men krever katalysatorer som platina eller manganoksid, og drivstoffets aggressive kjemi begrenser materialvalg. Hybridaktuatorer kan utnytte lokal oksidasjon av drivstoff for å generere varme, som så forårsaker bevegelse i form av kontraksjon i formminnematerialer, som vist i mikroroboter drevet av metanol.

Musklers virkemåte gir et ideelt eksempel på hvordan kjemisk energi oversettes til bevegelse. ATP (adenosintrifosfat) fungerer som den primære energikilden for muskelkontraksjon gjennom en syklus hvor ATP hydrolyseres til ADP og uorganisk fosfat, og frigjør energi som driver kryssbro-mekanismen mellom myosin og aktinfilamenter. Denne syklusen består av flere steg, inkludert ATP-binding, hydrolyse, dannelse av kryssbro, kraftslag og ADP-frigjøring, og gir musklene en evne til raske og kraftfulle bevegelser opp til flere hundre Hertz. Å gjenskape et system med tilsvarende hastighet, energitetthet og størrelse innen robotikk er en betydelig utfordring som fortsatt driver forskning.

I tillegg til de nevnte prinsippene, er det viktig å forstå at biologiske systemer ofte kombinerer flere ulike mekanismer for optimal funksjon. Dette inkluderer integrasjonen av kjemiske prosesser med mekaniske strukturer, sanseapparater og kontrollsystemer som gjør det mulig å oppnå høy presisjon og responsivitet. For å lykkes i utviklingen av myke roboter som etterligner levende organismer, må man derfor ikke bare gjenskape enkeltdeler, men også forstå helheten og samspillet mellom ulike funksjoner på mikroskopisk nivå. Materialvalg, energiomsetning og styringsmekanismer må harmoniseres for å nærme seg biologisk kompleksitet.

Hvordan oppstår elektrisk ledningsevne i strekkbare materialer, og hvilke materialer egner seg best for myke maskiner?

Elektrisk ledningsevne oppstår når elektroner eller ioner kan bevege seg fritt i et materiale. I atomer fyller elektronene bestemte energinivåer, og hvis Fermi-nivået ligger innenfor et bånd der elektroner kan bevege seg, kan materialet lede elektrisitet effektivt. To hovedtyper ledere er relevante i myke maskiner: metaller med høy ledningsevne og karbonbaserte allotroper som grafen og karbonnanorør. I tillegg finnes ioniske ledere som elektrolytter, hvor ledning skjer ved at ioner transporterer elektrisk ladning. Resistiviteten til slike ioniske løsninger varierer sterkt med konsentrasjon og temperatur.

For å være nyttig i myke maskiner må ledende materialer ikke bare være ledende, men også opprettholde denne egenskapen under mekanisk deformasjon. Dette gir opphav til to hovedkategorier: flytende ledere og deformable faste ledere. Flytende ledere som eGaIn, en eutektisk legering av gallium og indium, og elektrolytter består av en ledende væske som må kapsles inn for å forhindre lekkasje. Deformable faste ledere inkluderer karbon-, metall- eller keramikkbaserte materialer som er arrangert slik at elektronene kan flyte selv når materialet strekkes eller bøyes. Disse krever elastomeriske substrater som kan returnere materialet til opprinnelig form.

Flytende ledere har fordelen av kontinuerlig ledende bane, men krever pålitelig innkapsling for å unngå lekkasje og fordamping av komponenter. Faste ledere er kompositter med ledende partikler innkapslet i elastomerer. Disse partiklene øker gjerne stivheten i materialet, men elektrisk ledning opprettholdes gjennom både ballistisk transport mellom partiklene og elektrontunneling via delokaliserte π-orbitaler. Hydrogeler, en type elektrolyttgel med polymernettverk, tilbyr elastisitet basert på polymerstrukturen, men må beskyttes mot uttørking. Ionogeler, som bruker ioniske væsker i stedet for vann, har lavere ledningsevne, men stabiliseres bedre mot fordamping.

Karbonbaserte kompositter tåler store deformasjoner uten innkapsling, men har generelt lavere ledningsevne enn metaller. Karbonnanorør og sølvnanotråder er høy-aspekt-ratio ledere som gir bedre deformasjonsevne før ledningsevnen brytes, men sølvnanotråder oksideres og mister ledningsevne over tid. Flytende metaller har den høyeste ledningsevnen, men har høy tetthet og krever kapsling. eGaIn, som er flytende ved romtemperatur, danner et oksidlag som gjør det vanskeligere å forme og prosessere.

Ved mekanisk belastning endres geometrien til de ledende materialene, noe som påvirker deres elektriske egenskaper. For eksempel endres resistansen i en leder når tverrsnittet og lengden endres, noe som er grunnlaget for strekkfølere. Kapasitans endres også proporsjonalt med areal og tykkelse på dielektrikum, noe som kan modelleres ved å anta at volumet forblir konstant under deformasjon.

To alternative tilnærminger til strekkbare ledere inkluderer korrugerte metallag og ledende polymerer. Ved å påføre et metallag på en mekanisk forstrukket elastomer, dannes en bølget struktur når elastomeren slippes, noe som gjør metallet mer tøyelig. Ledende polymerer, slik som PEDOT:PSS, kan lede elektrisitet gjennom delokaliserte π-orbitaler langs polymerkjeden, og har blitt utviklet for bedre prosesserbarhet enn tidlige varianter som polyacetylene.

Viktige aspekter å forstå utover materialenes ledningsevne er hvordan de reagerer på mekanisk belastning, både i forhold til elektrisk ytelse og materialets mekaniske integritet. Samspillet mellom ledende partikler og elastomermatrisen er avgjørende for lav motstand og holdbarhet. Valg av materiale og struktur må også ta hensyn til miljøpåvirkninger, som oksidasjon og fordamping. Bruk av flytende metaller krever alltid nøye kontroll av innkapsling, mens faste kompositter kan gi mer robusthet, men på bekostning av økt stivhet. Endelig bør forståelsen av den kvantemekaniske bakgrunnen for ledningsevne gi et fundament for å kunne designe og optimalisere nye myke og fleksible elektriske komponenter med ønskede egenskaper.

Hvordan forstå spenninger og deformasjoner i asymmetriske laminater under belastning?
Hvordan lages og forstås fermenterte drikker som kombucha og fruktbaserte shrubs?
Hvordan skape et autentisk, slitt utseende på møbler med kalkmaling og voks
Hvordan analysere sannsynlighet og aktiv utførelsesgrad i D2D-nettverk med avhengighet av avstand