Polimer Elektro-aktif dan Kompleksitas Robot

Siapa yang tidak pernah mendengar tentang robot ? mesin mesin yang dibuat untuk membantu manusia ini, dengan semakin berkembangnya beragam ilmu pengetahuan dan teknologi, menjadi semakin dapat dibuat sempurna seperti mahluk acuannya. Para ilmuan robotic bahkan bermimpi kelak akan lahir robot-robot yang berfungsi mendekati wujud aslinya. Mereka yang berada di digital creatures laboratory Sony Jepang misalnya, punya angan-angan suatu saat robot manusia SDR-4X bisa berjalan, berbicara, bekerja, tidur dll seperti manusia. Begitu juga robot Asimo produksi Honda Jepang dan Anthropos dari Irlandia, pembuatnya juga berharap ciptaan mereka tersebut bisa beraktifitas dan mengekspresikan mimik wajah seperti manusia. Akan tetapi mewujudkan angan-angan tersebut tentu tidaklah semudah membalikkan telapak tangan.

 
Gambar 1. Robot SDR-4X buatan SONY.

Perangkat perangkat robot (Robotic devices) apapun jenis dan fungsinya, adalah sebuah objek dengan penuh tantangan yang sulit dan mempunyai tingkat kompleksitas yang tinggi (dalam aspek gerak dan kontrol misalnya). Bila bekerja di robotic, maka kita akan bekerja pada sebuah sistem yang melibatkan multi disiplin ilmu, seperti fisika, kimia, biologi, material, komputer, sensor, kontrol, modeling, desain dll. Wajar jika para ilmuan dari spesialis masing-masing sampai saat ini saling berlomba dan bekerjasama mencari solusi untuk memecahkan kompleksitas robot tersebut.

Berbagai proposal telah diajukan dalam rangka membantu menyelesaikan kompleksitas robot. Salah satunya adalah sistem kendali Polimer Elektro-aktif (Electroactive Polymers-EAP). Adalah Dr. Yoseph Bar-Cohen, peneliti senior dan group leader di Jet Propulsion Laboratory (JPL) di Nondectructive Evaluation and Advance Actuators (NDEAA) California, mencoba mengusulkan EAP-driven system yang mana menurut dia dapat merubah paradigma tentang kompeksitas robot tersebut. “Electroactive polymers are changing the paradigm about the complexity of robots”kata Bar-Cohen. Bersama tim kecilnya yang terdiri dari para scientists dan engineers, Bar-Cohen mencoba mengembangkan EAP sebagai actuators, sensors, transducers dan robot mechanics. Mereka berharap suatu saat material ini dapat berfungsi mengantikan otot-otot manusia yang telah rusak, atau dengan kata lain dapat melahirkan Bionic men dan Bionic women. “My hope is someday to see a handicapped person jogging to the grocery store using this technology” kata Bar-Cohen. Selain Dr. Yoseph Bar-Cohen, tercatat juga beberapa nama ilmuan yang concern dalam pengembangan bidang ini, seperti Prof. Mohsen Shahinpoor dari Artificial Muscles Research Institute (AMRI) The University of New Mexico, Dr. Patricia E. Cladis dari Advance Liquid Crystal Technology, Inc (ALCT), New Jersey. Ilmuan Jepang Prof. Yoshihito Osada dari Division of Biological Sciences, Hokkaido University juga mengembangkan hal yang serupa. Selain itu sebuah perusahaan Jepang yang bernama EAMEX corporation juga turut ambil bagian dalam pengembangan EAP. Beberapa konferensi, ratusan jurnal dan beberapa patent telah dihasilkan dalam studi dan pengembangan EAP. Dalam artikel ini akan dicoba membahas secara singkat mengenai EAP dan perkembangannya di dunia saat ini.

Polimer Elektro-aktif

Sifat yang menarik dari polimer adalah terjadinya perubahan volume dan bentuk (shape) disebabkan oleh environmental factors seperti komposisi solven, suhu, ionic strength, pH, cahaya, medan listrik dll. Masing-masing faktor mempunyai kekhususan tersendiri. Suhu misalnya, bila sebuah polimer dipanaskan akan terjadi penyusutan (shrink) volume disebabkan oleh perubahan entropi selama proses pemanasan dan sifat elastic yang dibawa oleh rantai-rantai polymer (polymer chains). Bisa dibayangkan pada sebuah karet (rubber) atau sebuah plastik yang dibakar. Skala waktu selama proses penyusutan ini relatif panjang, bisa mencapai 100 detik atau lebih. Bila polimer dilarutkan (swelling) dalam suatu pelarut (solvent), akan terjadi ekpansi volume hingga mencapai suatu titik kesetimbangan (equilibrium swollen state). Ekspansi volume bisa mencapai 10-100 kali tergantung pada jenis polimer dan solven. Titik saturasi dari ekspansi volume selama proses pelarutan tersebut biasanya dalam orde menit. Namun, bila polimer distimulasi oleh medan listrik, skala waktu untuk proses kontraksi (shape changes) saat medan swiched “on” bisa mencapai millisecond, yang artinya faktor medan listrik memberikan respon yang lebih cepat bagi polymer. Tetapi displacement yang dihasilkan oleh polimer selama proses berlangsung relative lebih kecil bila dibandingkan dengan pengaruh suhu. Polimer-polimer yang memiliki sifat-sifat perubahan bentuk (kontraksi dan regangan) yang spontan, lentur, aktif dan soft dengan respon yang cepat bila terstimulasi medan listrik dikenal sebagai electroactive polymer.

Otot adalah komponen utama bagi mahluk hidup dalam melakukan aktifitas. Konsep dasar dari kerja sebuah otot adalah kontraksi dan regangan pada filament-filamen penyusunnya. Kontraksi dan regangan ini bekerja secara spontan, lentur dan respon yang cepat yang lansung dikontrol oleh otak manusia melalui syaraf-syaraf. Konsep dasar pada otot ini menyerupai sifat-sifat yang dimiliki oleh system material EAP. Kesamaan sifat tersebut mengilhami para ilmuan pada sebuah keyakinan bahwa system kendali EAP membuka harapan sekaligus tantangan bagi sebuah otot buatan (artificial muscles). Lantas dimanakah fungsi EAP pada otot buatan tersebut? Kita ambil sebuah contoh, otot skeletal (skeletal muscles) pada manusia (terdapat pada lengan, pada, betis dll). Otot ini merupakan bagian utama sebagai pembangkit gaya dan gerak pada semua aktivitas manusia. Filamen kontraktil dari otot skeletal adalah apa yang disebut benang otot(muscles thread) atau myofibril yang mempunyai diameter kira-kira 1 mikrometer. Kumpulan myofibril membentuk fiber muscles. Sifat-sifat biomekanik dari filamen ini dapat digantikan fungsinya oleh material EAP.

Didasarkan pada mekanisme aktifasi, EAP dapat dibagi dalam dua katagori mayor, yaitu electrict EAP dan ionic EAP. Electric EAP dikendalikan oleh medan listrik atau gaya Coulomb, sedangkan ionic EAP disebabkan oleh gerak mobilitas dan difusi dari ion-ion. Contoh dari electric EAP adalah polimer feroelektrik, EAP dielektrik, liquid crystal elastomer (LCE) dll. Sedangkan contoh dari ionic EAP adalah ionic polymer gels (IPG), ionomoric polymer-metal composites (IPMC), polimer konduktif dll. Masing-masing katagori mempunyai kelebihan dan kekurangan. Misalnya electric EAP, material jenis ini dapat dioperasikan pada temperatur kamar (room temperature) dan mempunyai respon yang sangat cepat (orde msec), namun untuk mengoperasikannya dibutuhkan tegangan yang cukup tinggi (~ 150MV/m). Dengan menggunakan ionic EAP, tegangan yang dibutuhkan bisa diperendah namun respon yang dihasilkan relatif panjang (orde detik). Secara umum, daya maksimum yang dihasilkan oleh EAP bisa mencapai 150-225 W/kg dengan peak stress level sekitar 150-300KPa.

Dengan pertimbangan bahwa EAP dapat berfungsi sebagai otot-otot buatan, maka selanjutnya kerjasama antara ilmuan material EAP dan ilmuan biomedik diharapkan dapat merancang sebuah konsep otot-otot biologi dengan basic EAP, dan selanjutnya diharapkan nantinya dapat menghasilkan robot-robot berjalan, berenang, terbang atau menyelam yang lebih feasible dalam artian lebih mendekati wujud aslinya.

EAP saat ini

Keinginan untuk menjalin kerjasama internasional antara ilmuan, enginer, developers, users dan para sponsor EAP, diwujudkan pertama kali pada konferensi SPIE (Society of Photo-optical Instrumentation Engineers) pada bulan Maret 1999 di California yang sekaligus adalah 6th Smart Structures and Material Symposium. Kemudian dilanjutkan dalam tahun yang sama pada konferensi MRS (Materials Research Society). Dalam konferensi tersebut kumunitas EAP mencapai sebuah kesepakatan untuk mensosialisasikan EAP ke masyarakat umum, yaitu dengan membuat homepage mengenai penelitian dan pengembangan serta hal-hal yang berkaitan dengan EAP (http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommnas/eap/EAP-web.htm), dan juga sebuah semi-annual WW-EAP Newsletter (http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommnas/eap/WW-EAP-Newsletter.html). Beberapa buah buku yang berkaitan dengan EAP juga telah diterbitkan. Dr. Yoseph Bar-Cohen cukup berperan dalam membentuk komunitas EAP tersebut.

System kendali EAP yang diusulkan oleh Bar-Cohen (Yoseph Bar-Cohen, Electroactive Polymers as Artificial Muscles-Capabilities, Potentials and Challenges, Robotic 2000 and Space 2000, Albuquerque, NM, USA, February 28-March 2, 2000) secara skematik diberikan pada diagram di bawah. Tampak bahwa kinerja dan performance EAP sangat dipengaruhi oleh komponen-komponen pendukung sistem kendali tersebut. Untuk mewujudkan impiannya, Bar-Cohen menjalin kerjasama dengan National Aeronautic Space Agency (NASA) yang notabene sedang mengembangkan robotic space explorers dan koloni robot guna mendukung kinerja ekplorasi ruang angkasa di masa datang. Salah satu contoh adalah pengembangan robot penyapu debu (dust-wiper) yang berfungsi untuk membersihkan debu pada jendela instrument-instrument optic dan infrared di Mu Space Engineering Spacecraft (MUSEC-CN) Nanorover. Proyek in juga melibatkan sebuah badan antariksa Jepang ISAS (The Institute of Space and Astronautical Science).

Gambar 2. Diagram EAP.

Penutup

Ulasan singkat di atas diharapkan dapat memberikan gambaran umum mengenai EAP dan aplikasinya sebagai sebuah alternatif otot-otot buatan atau otot-otot biologis yang dalam pengembangannya dapat akan dapat membantu menyelesaikan kompleksitas yang ada pada divais robot saat ini. Penulis sendiri, dibawah bimbingan Prof. Shoichi Kai dan bekerjasama dengan beberapa peneliti dari USA dan German, saat ini sedang mencoba mempelajari dan mengembangkan sebuah metode untuk meminimalisasi beberapa masalah yang ada pada aplikasi electric EAP khususnya pada liquid crystal elastomers (LCE).

Sumber : Berita Iptek

Kata Pencarian Artikel ini: