Dit stroperige vloeibare metaal zou kunnen leiden tot een revolutionaire doorbraak in de robotica

Dit stroperige vloeibare metaal zou kunnen leiden tot een revolutionaire doorbraak in de robotica

Elke keer je gaat zitten met je telefoon in je achterzak, je wordt herinnerd aan een fundamentele waarheid: het menselijk lichaam is zacht en flexibel. Elektronica is dat niet.

Maar binnenkort kunnen er apparaten zijn die zichzelf kunnen uitrekken, buigen en zelfs repareren als ze beschadigd zijn. Door gebruik te maken van de ongebruikelijke eigenschappen van een vloeibaar metaal, gallium genaamd, willen materiaalwetenschappers een nieuwe generatie flexibele apparaten creëren voor virtual reality-interfaces, medische monitoren, bewegingsgevoelige apparaten en meer.

Het doel is om de functionaliteit van elektronica te gebruiken en ze zachter te maken, zegt Michael Dickey, een chemisch ingenieur aan de North Carolina State University. “Ik bedoel, het lichaam en andere natuurlijke systemen hebben ontdekt hoe het moet. Dus we kunnen het zeker.”

Buigbare elektronica kan ook gemaakt worden met conventionele metalen. Maar massief metaal kan vermoeid raken en breken, en hoe meer er aan zacht materiaal wordt toegevoegd, hoe inflexibeler het materiaal wordt. Vloeibare metalen hebben dat probleem niet, zegt Dickey – ze kunnen worden gebogen, uitgerekt en gedraaid met weinig of geen schade.

“Dit is een van de interessantste materialen op het periodiek systeem.”

Flexibiliteit blijkt slechts een van de nuttige eigenschappen van gallium te zijn. Omdat het een metaal is, geleidt het gemakkelijk warmte en elektriciteit. In tegenstelling tot het bekendere vloeibare metaalkwik, heeft het een lage toxiciteit en een lage dampdruk, zodat het niet gemakkelijk verdampt.

Gallium stroomt net zo gemakkelijk rond als water. Maar in de lucht vormt het ook snel een stijve buitenste oxidelaag, waardoor het gemakkelijk tot halfvaste vormen kan worden gevormd. De oppervlaktespanning, die 10 keer zo hoog is als die van water, kan zelfs worden gevarieerd door het vloeibare metaal onder te dompelen in zout water en er spanning op aan te brengen.

Galliumcircuits kunnen ook worden geprint en rechtstreeks op de huid worden aangebracht, zoals een tijdelijke tatoeage.Toekomstige publicatie/Toekomstige publicatie/Getty Images

‘Ik ben bevooroordeeld, dus neem dit voor wat het waard is. Maar ik denk dat dit een van de meest interessante materialen van het periodiek systeem is, omdat het zoveel unieke eigenschappen heeft”, zegt Dickey, co-auteur van een overzicht van gallium in 2021. Jaaroverzicht van materiaalonderzoek.

De belangstelling voor gallium bleef in het verleden achter, deels vanwege de oneerlijke associatie met giftig kwik en deels omdat de neiging tot vorming van een oxidelaag als negatief werd gezien. Maar met de toegenomen belangstelling voor flexibele en vooral draagbare elektronica besteden veel onderzoekers nieuwe aandacht.

“Er zijn hier geen halfgeleiders.”

Om buigbare circuits met gallium te maken, vormen wetenschappers het tot dunne draden die zijn ingebed tussen rubberen of plastic platen. Deze draden kunnen kleine elektronische apparaten zoals computerchips, condensatoren en antennes verbinden. Het proces creëert een apparaat dat om een ​​arm kan worden gewikkeld en kan worden gebruikt om bijvoorbeeld de beweging, snelheid of vitale functies van een atleet te volgen, zegt Carmel Majidi, een werktuigbouwkundig ingenieur aan de Carnegie Mellon University.

Deze draden en circuits van vloeibaar metaal zijn bestand tegen aanzienlijk buigen of draaien. Als demonstratie maakte Dickey oordopjes die tot acht keer hun oorspronkelijke lengte kunnen uitrekken zonder te breken. Andere circuits kunnen zichzelf genezen wanneer ze worden gescheurd – wanneer de randen tegen elkaar worden geplaatst, vloeit het vloeibare metaal terug naar elkaar.

Galliumcircuits kunnen ook worden geprint en rechtstreeks op de huid worden aangebracht, zoals een tijdelijke tatoeage. De “inkt” werkt als een conventionele elektrode, het soort dat wordt gebruikt om hart- of hersenactiviteit te controleren, zegt Majidi, die zo’n circuit maakte door het metaal op flexibel materiaal te printen. De tatoeages zijn flexibeler en duurzamer dan bestaande elektroden, waardoor ze veelbelovend zijn voor langdurig gebruik.

De vormveranderende kwaliteit van het vloeibare metaal opent andere potentiële toepassingen. Wanneer het metaal wordt samengedrukt, uitgerekt en gedraaid, verandert de vorm en verandert de verandering in geometrie ook de elektrische weerstand. Dus door een kleine stroom door een gaas van galliumdraden te laten lopen, kunnen onderzoekers meten hoe het materiaal wordt gedraaid, uitgerekt en ingedrukt.

Een elektrische stroom verandert de oppervlaktespanning van gallium, waardoor het een gewicht kan optillen en laten zakken. De eigenschap zou het nuttig kunnen maken als een zachte robotspier.

Dit principe zou kunnen worden toegepast om bewegingsgevoelige handschoenen voor virtual reality te maken: als een gaas van galliumdraden zou zijn ingebed in een dunne, zachte film aan de binnenkant van de handschoen, zou een computer de veranderingen in weerstand kunnen detecteren wanneer de drager zijn hand beweegt .

“Je kunt het gebruiken om de beweging van je eigen lichaam te volgen, of de krachten waarmee je in contact bent, en die informatie vervolgens door te geven aan de virtuele wereld die je ervaart”, zegt Majidi.

Deze eigenschap verhoogt zelfs de mogelijkheid dat machines werken die gebruikmaken van wat Dickey ‘zachte logica’ noemt. In plaats van berekeningen te vereisen, hebben machines die zachte logica gebruiken eenvoudige reacties die rechtstreeks zijn gebaseerd op veranderingen in elektrische weerstand over het net. Ze kunnen zo worden ontworpen dat duwen, trekken of buigen van verschillende delen van het raster verschillende reacties activeert. Als demonstratie creëerde Dickey een apparaat dat motoren of lichten aan en uit kan zetten, geheel afhankelijk van waar het materiaal wordt geperst.

‘Er zijn hier geen halfgeleiders. Er zijn geen transistoren; er zijn geen hersenen; het is gewoon gebaseerd op de manier waarop het materiaal wordt aangeraakt’, zegt Dickey.

Op tactiele gebaseerde logica op laag niveau zoals deze zou kunnen worden gebruikt om reactievermogen in apparaten in te bouwen, vergelijkbaar met het bouwen van reflexen in zachte robots – dergelijke reacties vereisen geen complex “brein” om informatie te verwerken, maar kunnen direct reageren als reactie op omgevingsstimuli, het veranderen van kleur of thermische eigenschappen of het omleiden van elektriciteit.

En er wordt nu geprofiteerd van die buitenste oxidelaag die ontstaat wanneer gallium wordt blootgesteld aan lucht. De oxidelaag zorgt ervoor dat het metaal zijn vorm behoudt en opent allerlei mogelijkheden voor patroonvorming en fabricage. Kleine druppels gallium kunnen hoog op elkaar worden gestapeld. Een druppel gallium kan langs een oppervlak worden gesleept, waardoor een dun spoor van oxide achterblijft dat als circuit kan worden gebruikt.

Gallium heeft zoveel interessante eigenschappen dat het zeker nuttig zal zijn in zachte elektronica en robotica.Toekomstige publicatie/Toekomstige publicatie/Getty Images

Bovendien kan in water de oxidelaag worden gevormd en verdwijnen door een kleine hoeveelheid spanning aan te leggen, waardoor de korrels zich onmiddellijk vormen en instorten. Door heen en weer te schakelen, kan Dickey de kralen een gewicht op en neer laten bewegen. Met verfijning zou deze eigenschap de basis kunnen vormen van kunstmatige spieren voor robots, zegt hij.

Dickey geeft toe dat de technologie nog in de kinderschoenen staat en dat het werk tot nu toe alleen maar suggereert hoe het gecommercialiseerd zou kunnen worden. Maar gallium heeft zoveel interessante eigenschappen dat het zeker nuttig zal zijn in zachte elektronica en robotica, zegt hij.

Hij vergelijkt het vakgebied met de begintijd van de computer. Hoewel de vroegste experimentele computers gemaakt met vacuümbuizen en mechanische schakelaars volgens de huidige normen primitief zijn, hebben ze principes vastgesteld die aanleiding gaven tot moderne elektronica.

Majidi zegt dat hij ook verwacht dat vloeibaar metaal in de nabije toekomst commercieel zal worden gebruikt.

“In de komende jaren zul je meer en meer van deze overgang van vloeibare metaaltechnologieën in de industrie zien, op de markt”, zegt hij. “Het is op dit moment niet zozeer een technisch knelpunt. Het gaat om het vinden van commerciële toepassingen en toepassingen van vloeibaar metaal die echt een verschil maken.”

Leave a Reply

Your email address will not be published.