Экологическое воздействие производства и утилизации мягкой робототехники

Мягкая робототехника стала одним из самых перспективных подполей в современной инженерии, предлагая машины, которые могут изгибаться, растягиваться, захватывать и взаимодействовать с деликатными объектами способами, которые не могут быть жесткими роботами. От хирургических инструментов, которые перемещаются по человеческому телу с минимальной травмой, до захватов, которые обрабатывают пищу и фрукты без повреждений, потенциальные приложения огромны. Тем не менее, по мере того, как поле созревает и перемещается из исследовательских лабораторий в коммерческое производство, критический вопрос требует внимания: каковы экологические затраты на изготовление и отказ от этих мягких, совместимых машин? Материалы и процессы, которые дают мягким роботам их уникальные возможности, также представляют собой различные экологические проблемы. В этой статье рассматривается экологический след мягкой робототехники на протяжении всего жизненного цикла - от добычи сырья и производства до утилизации и переработки - и подчеркивается новые стратегии для построения более устойчивого будущего.

Производственные процессы и экологические проблемы

Производство мягких роботов в значительной степени зависит от полимеров, эластомеров и соединений на основе силикона. Хотя эти материалы обеспечивают гибкость и устойчивость, которые определяют мягкую робототехнику, их производство несет значительные экологические нагрузки. Понимание того, где именно лежат эти нагрузки, является первым шагом к их смягчению.

Материальный источник

Большинство мягких роботизированных компонентов изготавливаются из синтетических каучуков, таких как полидиметилсилоксан (PDMS), эластомеры на основе экофлекса и полиуретана. Эти материалы получены из нефтехимического сырья, что означает, что их производство напрямую связано с добычей ископаемого топлива. Процесс бурения, транспортировки и переработки сырой нефти выделяет парниковые газы, летучие органические соединения (ЛОС) и другие загрязнители. Кроме того, силиконовая промышленность требует высокочистого кремнеземного песка, который часто получается путем добычи полос - практика, которая может привести к разрушению среды обитания, эрозии почвы и загрязнению стола с водой.

Экологические затраты выходят за рамки добычи сырья. Синтез силиконовых полимеров включает энергоемкие химические реакции, в том числе гидролиз хлорсиланов, который генерирует соляную кислоту в качестве побочного продукта. Без строгой обработки отходов эти кислотные потоки могут нанести вред местным экосистемам. Аналогичным образом, производство синтетических каучуков часто требует пластификаторов, стабилизаторов и перекрестно-сшивающих агентов, которые могут быть токсичными или биоаккумулятивными. Оценка жизненного цикла мягких роботизированных приводов 2022 года показала, что производство материала составило более 40% от общего углеродного следа типичного пневматического захвата (] Журнал более чистого производства, 2022 ].

Химическое использование и выбросы

Производство мягких роботов часто включает формование, литье и 3D-печать - процессы, которые полагаются на растворители, отверждающие агенты и высвобождающие спреи. Например, эластомеры на основе PDMS требуют катализатора на основе платины для лечения, и этап отверждения часто выпускает небольшое количество силоксановых олигомеров в воздух. Хотя эти выбросы жестко регулируются в некоторых регионах, они все еще могут накапливаться в плохо проветриваемых рабочих местах. Кроме того, многие мягкие роботы включают проводящие жидкости или гидрогели, которые содержат соли, красители или наночастицы; производство этих функциональных материалов может включать катализаторы тяжелых металлов или органические растворители, которые создают проблемы с удалением.

Рост аддитивного производства ввел еще одну проблему: отходы вспомогательных материалов и неотвержденной смолы. При экструзионной 3D-печати термопластичных полиуретанов (TPU) неудавшиеся отпечатки и избыток материала часто выбрасываются в виде отходов смешанного полимера, которые трудно перерабатывать. В исследовании в Аддитивное производство отмечалось, что воздействие на окружающую среду одного мягкого роботизированного пальца, полученного путем моделирования сплавленного осаждения, было сопоставимо с воздействием пластиковой бутылки для осаждения воды, но сложная геометрия пальца и смесь материалов сделали переработку ниже по течению почти невозможной (] Аддитивное производство, 2021 .

Потребление энергии

Помимо материалов, энергия, необходимая для формирования и лечения мягких роботизированных компонентов, является существенной. Печи используются для нагрева силиконовых каучуков в течение нескольких часов, а литьевые машины работают при высоких температурах и давлениях. Даже процессы термообработки в помещении требуют климат-контролируемых сред для обеспечения стабильного качества, что добавляет к нагрузкам HVAC. При масштабировании на промышленное производство энергетический след одного мягкого роботизированного привода может быть в несколько раз больше, чем у сопоставимого жесткого компонента из металла или твердого пластика. Анализ пневматических искусственных мышц 2023 года показал, что одна только стадия отверждения способствовала 30% использования энергии в производстве (]ScienceDirect, 2023].

Проблемы утилизации и утилизации

В конце срока службы мягкие роботы представляют собой проблему утилизации, с которой не могут справиться современные системы управления отходами. В отличие от жесткой электроники, которая установила потоки переработки металлов и печатных плат, мягкие роботизированные системы состоят из запутанной смеси полимеров, силиконов и часто встроенной электроники или жидких каналов.

Сценарии конца жизни

Большинство мягких роботов сегодня входят в один из трех путей утилизации: свалка, сжигание или неформальный сброс. Свалки - самая распространенная судьба. Силиконовые эластомеры не являются биоразлагаемыми; они могут сохраняться в течение веков, медленно фрагментируясь на микро- и нанопластические частицы. Сжигание уменьшает объем, но выделяет диоксид углерода, а в случае силиконов производит богатую диоксидом кремния золу, которая должна быть захоронена отдельно. Поскольку мягкие роботы обычно малы и легки, они часто выбрасываются в качестве бытовых или медицинских отходов, а не сегрегируются для специальной обработки. Исследование 2020 года, проведенное IEEE Robotics and Automation Society, показало, что менее 5% исследователей мягкой робототехники рассматривали удаление в конце срока службы на этапе проектирования (]IEEE Transactions on Robotics, 2020 ).

Утилизация трудностей

Свойства, которые делают мягких роботов привлекательными - растяжимость, адгезия и интеграция с несколькими материалами - делают их исключительно трудными для переработки. Отделение силикона от термопластичного полиуретана или удаление встроенных датчиков и проводов требует ручной разборки или передовых технологий сортировки, которые редко являются экономически эффективными. Химическая переработка, которая разбивает полимеры обратно в мономеры, существует для некоторых пластмасс (например, ПЭТ), но не созревает для силиконов или перекрестно связанных эластомеров. Кроме того, наличие остаточных отверждающих агентов, пластификаторов и проводящих частиц может загрязнять потоки переработки, делая восстановленный материал непригодным для высококачественных применений. Большинство мягких роботизированных компонентов поэтому в конечном итоге становятся наполнителем с пониженным циклом или просто попадают в поток отходов.

Экологическое воздействие утилизации

Неправильное удаление мягких роботов способствует двум основным экологическим проблемам: микропластиковому загрязнению и химическому выщелачиванию. Поскольку фрагменты силикона и полиуретана разрушаются под ультрафиолетовым светом, волновым действием и истиранием, они генерируют частицы, которые поглощаются морскими и наземными организмами. Эти микропластики могут переносить адсорбированные токсины и передавать их через пищевую сеть. Исследование 2021 года обнаружило силиконовые частицы в образцах планктона из Северного Тихоокеанского синяка, открытие, которое напрямую связано с долговечностью синтетических эластомеров, используемых в робототехнике (]Научные отчеты, 2021 . Кроме того, пластификаторы, такие как фталаты (иногда используемые для смягчения TPU), могут выщелачиваться из выброшенных роботов в почву и грунтовые воды, с потенциальным разрушающим эндокринную систему воздействием на дикую природу.

Оценка жизненного цикла и тематические исследования

Оценка полного жизненного цикла (LCA) является золотым стандартом для количественной оценки воздействия на окружающую среду. Несколько недавних исследований LCA были сосредоточены на мягких роботизированных компонентах, обеспечивая более тонкую картину, чем простые сравнения материалов. Например, препринт 2022 года из Калифорнийского университета в Беркли сравнил мягкий роботизированный захват, изготовленный из PDMS, с обычным металлическим захватом в течение 10-летнего периода использования. Мягкий захват имел более низкую производственную энергию, но более короткий срок службы (из-за усталости материала), что привело к более частым заменам и более высокому совокупному углеродному следу. Когда удаление было включено, воздействие мягкого захвата выросло на 15% по сравнению с металлической версией, потому что металлический захват мог быть переработан с 90% скоростью восстановления, в то время как захват PDMS имел нулевую перерабатываемость.

В другом тематическом исследовании Soft Robotics Toolkit были рассмотрены мягкие роботизированные руки, используемые в протезировании. Рука содержала несколько эластомеров, встроенную электронику и силиконовую кожу. Исследователи обнаружили, что если бы руку компостировали в муниципальном учреждении, электронику пришлось бы удалить - увеличивая рабочее время на 40% - в то время как силиконовые компоненты оставались бы нетронутыми даже через шесть месяцев, доказывая необходимость процессов деполимеризации в промышленных масштабах. Эти примеры подчеркивают, что экологические характеристики не определяются только выбором материала; дизайн для конца жизни одинаково важен.

Стратегии устойчивого развития

Признавая проблемы, растущее сообщество исследователей и производителей разрабатывает решения, которые касаются каждого этапа жизненного цикла мягкой робототехники. Приведенные ниже стратегии представляют собой наиболее перспективные пути для снижения вреда окружающей среде.

Разработка биоразлагаемых материалов

Один прямой подход заключается в замене неразлагаемых синтетических эластомеров биоразлагаемыми альтернативами. Гидрогели на основе желатина, шелковый фиброин и поли(лактико-ко-гликолевая кислота) (PLGA) были использованы для создания мягких приводов, которые могут разлагаться в условиях компостирования. Например, команда из Института Висса в Гарварде создала биоразлагаемый мягкий захват из желатина и лимонной кислоты, который потерял 80% своей массы после 30 дней в почве. Такие материалы устраняют проблему персистентности, но они приходят с компромиссами: более низкая прочность на растяжение, более короткий срок хранения и необходимость стерилизованных условий в медицинских приложениях. Исследователи активно смешивают биоразлагаемые полимеры с натуральными волокнами (например, нанокристаллы целлюлозы) для улучшения механических характеристик без ущерба для компостируемости.

Экологически чистый производственный

Производственные процессы также перепроектируются для снижения воздействия на окружающую среду. Силиконовые эмульсии на водной основе устраняют органические растворители, сокращая выбросы ЛОС. Системы отверждения ультрафиолетовых (УФ) отверждений заменяют тепловые печи, сокращая потребление энергии. Некоторые лаборатории обращаются к аддитивному производству с использованием переработанных нитей ТПУ, полученных из отходов после потребления. В докладе Еврокомиссии за 2023 год из программы Horizon 2020 подчеркивается, что замена традиционного отверждения печей отверждением UV-LED уменьшила углеродный след мягкого привода на 45%. Принятие возобновляемой энергии для производства электроэнергии является еще одним простым рычагом, хотя первоначальные инвестиции могут быть высокими для небольших компаний.

Дизайн для разборки и утилизации

Проектирование мягких роботов с учетом конца срока службы может значительно улучшить перерабатываемость. Модульные конструкции, которые склеиваются, а не постоянно связаны, позволяют легко отделять различные материалы. Использование обратимых клеев или механических крепежных элементов вместо химического соединения позволяет разбирать. Исследователи также предложили «круглые» мягкие роботы, где структурный эластомер может быть деполимеризирован в его мономеры и повторно полимеризован в новые компоненты. Доказательство концепции из ETH Zurich продемонстрировало полиуретановый привод, который может быть химически переработан с > 90% восстановлением материала, сохраняя 85% оригинальных механических свойств. Включение стандартизированных соединителей и цветокодирующих материалов может дополнительно упростить сортировку в объектах утилизации.

Решения для конца жизни

Для материалов, которые еще не могут быть биоразлагаемыми, необходимы улучшенные методы утилизации. Промышленные компостирующие установки, оснащенные высокотемпературными средами с высокой влажностью, могут ускорить деградацию некоторых биопластиков. Химическая переработка с использованием сольволиза масштабируется для полиуретанов и силиконов, хотя она остается энергоемкой. Другой подход - программы возврата «замкнутого цикла», где производители восстанавливают использованных мягких роботов и перерабатывают их в доме. Хотя все еще редки в отрасли мягкой робототехники, такие программы являются стандартными в автомобильной и электронной отраслях и могут служить моделью. Политические стимулы, такие как законы о расширенной ответственности производителей (EPR), могут поощрять эту практику.

Регулятивные и отраслевые инициативы

Регулирование начинает догонять рост мягкой робототехники. Регулирование Европейского союза REACH ограничивает опасные химические вещества в производстве, в том числе некоторые обычно используются в производстве силикона. Директива по отходам электрического и электронного оборудования (WEEE), первоначально предназначенная для электроники, обновляется, чтобы охватить больше категорий встроенных систем, которые могут привести к тому, что многие мягкие роботизированные устройства будут использоваться в соответствии с ее мандатами по переработке. Отраслевые группы, такие как IEEE Robotics и Automation Society, сформировали технический комитет по устойчивости мягкой робототехники, опубликовав руководящие принципы для экологически ответственного проектирования. Несколько стартапов в настоящее время продают «зеленые» мягкие роботы, изготовленные из сертифицированных компостируемых материалов, ориентированных на экологически сознательных клиентов в области обработки пищевых продуктов и сельского хозяйства.

Университеты также интегрируют устойчивость в свои учебные программы. Курс MIT «Мягкая робототехника для устойчивой планеты» учит студентов выполнять оценки жизненного цикла на этапе проектирования, навык, который становится столь же важным, как выбор материала. Совместные проекты, такие как консорциум Horizon 2020 «SOROFOAM», разрабатывают мягких роботов на основе пены с 50% переработанным контентом, демонстрируя, что экологические цели могут соответствовать техническим характеристикам.

Заключение

Мягкая робототехника имеет огромные перспективы для решения практических проблем в медицине, сельском хозяйстве и мониторинге окружающей среды. Тем не менее, с этим обещанием приходит ответственность за то, чтобы технология не создавала новых экологических проблем. Экологическое воздействие производства и утилизации мягкой робототехники является значительным - укореняется в материалах, полученных из ископаемого топлива, энергоемких процессах и отсутствии перерабатываемых конструкций. К счастью, область реагирует на инновации в биоразлагаемых полимерах, более чистом производстве, модульном дизайне и передовой переработке. Приняв эти стратегии и включив устойчивость в культуру исследований и разработок, мягкая робототехника может превратиться в действительно зеленую технологию. Выбор, сделанный сегодня, определит, будут ли мягкие роботы завтрашнего дня чистой выгодой или скрытым бременем на планете.