“De eeuwenoude Japanse kunst om robots zonder bot tot leven te brengen!” Dat lijkt veel op de samenvatting van een filmplot. In feite beschrijft dit perfect het werk van de ingenieurs van Princeton University die een robot hebben gemaakt die beweegt zonder een enkele motor of versnelling, met behulp van warmte en het principe van origami. Hun zachte robotsysteem is gebaseerd op een combinatie van geavanceerde warmtegevoelige materialen, flexibele ingebedde elektronica en een zorgvuldig ontworpen vouwstructuur om beweging te genereren, waardoor traditionele mechanische componenten worden geëlimineerd.
Zachte robotica, een deelgebied van de robotica dat stelt dat robots glad kunnen zijn, richt zich op het bouwen van robots uit materialen en systemen die zeer flexibel zijn en vervormbaar zijn. De flexibiliteit van deze zachte robots maakt ze zeer geschikt voor taken die moeilijk uit te voeren zijn door starre machines, zoals het manipuleren van delicate voorwerpen, het navigeren in krappe ruimtes en het functioneren als medische implantaten of medicijnafgiftesystemen in het menselijk lichaam.
Het probleem is dat de meeste zachte robots nog steeds afhankelijk zijn van motoren, actuatoren of externe pneumatische systemen om te bewegen, waardoor wordt beperkt hoe klein, licht en echt ‘zacht’ ze kunnen zijn. Het Princeton-team pakte deze uitdaging aan door twee velden te combineren die elkaar zelden kruisen: materiaalkunde en origami-engineering.
De kern van het ontwerp wordt gevormd door een speciaal polymeer, een vloeibaar-kristal-elastomeer genaamd, dat, in tegenstelling tot gewone flexibele materialen, een intern geordende moleculaire structuur heeft. Met behulp van een op maat gemaakte 3D-printer programmeerden de onderzoekers de oriëntatie van de moleculen zone voor zone terwijl het materiaal werd geprint, waardoor verschillende zones ontstonden die anders reageerden bij verhitting.
Door deze zones in een specifiek patroon te rangschikken, bouwde het team effectief een ‘scharnier’ rechtstreeks in het materiaal. Wanneer warmte wordt toegepast, trekken deze scharnieren op een voorspelbare manier samen, waardoor de structuur volgens een vooraf ontworpen volgorde wordt in- en uitgevouwen.
Het controleren van welke zones opwarmen, is waar elektronische apparaten een rol spelen. Het team heeft tijdens het printproces zelf een flexibele printplaat, compleet met verwarmingselementen, rechtstreeks in het scharnier ingebed. Deze aanpak, vergeleken met het achteraf installeren van de planken, vereenvoudigt de fabricage en houdt het systeem compact. Ingebouwde temperatuursensoren sturen gegevens terug naar de besturingssoftware, die kleine fouten compenseert die zich ophopen als de robot herhaaldelijk in- en uitvouwt.
“Ik denk dat de grote bijdrage is dat we de integratie hebben aangetoond van een complex systeem waarbij we lokale verwarmingscontrole hebben”, zegt David Bershadsky, een van de pioniers van dit idee en lid van het onderzoeksteam. “We kunnen de activering regelen, afhankelijk van waar we opwarmen.”
Om hun concept te demonstreren, maakten de onderzoekers een ooievaar (vogel), een klassiek origamifiguur, die op commando met zijn vleugels klapt. De kraan werd herhaaldelijk verplaatst en zonder zichtbare slijtage of vervorming in zijn oorspronkelijke vorm teruggebracht. Dit is verre van een volledig functionele robot, maar het bewijst dat het concept echt mogelijk is.
Princeton Universiteit
Het wegnemen van de beperkingen van mechanisch gebaseerde bewegingen opent veel mogelijkheden voor zachte robotica. Voorlopig bevindt het systeem zich nog in de experimentele fase en wordt het gedemonstreerd in een gecontroleerde laboratoriumomgeving. Het ontwerp is echter gericht op maakbaarheid, waarbij gebruik wordt gemaakt van in de handel verkrijgbare materialen en schaalbare fabricagemethoden.
Het team publiceerde hun werk in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen.
Bron: Princeton Universiteit
