“Oude Japanse kunst brengt een ruggengraatloze robot tot leven!” Klinkt heel erg als een samenvatting van het plot van een film. In werkelijkheid beschrijft het perfect het werk van ingenieurs van Princeton University die een robot hebben gemaakt die beweegt zonder een enkele motor of versnelling, maar in plaats daarvan gebruik maakt van warmte en de principes van origami. Hun zachte robotsysteem is gebaseerd op een combinatie van warmtegevoelige geavanceerde materialen, flexibele ingebedde elektronica en zorgvuldig ontworpen vouwstructuren om beweging te produceren, waarbij traditionele mechanische componenten buiten beschouwing worden gelaten.
Zachte robotica, een deelgebied van de robotica dat zegt dat robots zompig kunnen zijn, richt zich op het construeren van robots uit zeer flexibele, vervormbare materialen en systemen. De flexibiliteit van deze zachte robots maakt ze zeer geschikt voor taken waar starre machines mee worstelen, zoals het manipuleren van delicate voorwerpen, het navigeren in krappe ruimtes en het dienen 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 hun ontwerp is een speciaal polymeer, een vloeibaar kristalelastomeer 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 afzonderlijke zones ontstonden die anders reageren bij verhitting.
Door deze zones in specifieke patronen te rangschikken, bouwde het team effectief ‘scharnieren’ rechtstreeks in het materiaal. Wanneer warmte wordt toegepast, trekken deze scharnieren op voorspelbare manieren samen, waardoor de structuur volgens een vooraf ontworpen volgorde wordt in- en uitgevouwen.
Door precies te controleren welke zones opwarmen, komt de elektronica binnen. Het team heeft flexibele printplaten, compleet met verwarmingselementen, rechtstreeks in de scharnieren ingebed tijdens het printproces zelf. Deze aanpak, in plaats van de platen achteraf te bevestigen, 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 uitklapt.
“Ik denk dat de grote bijdrage is dat we de integratie hebben laten zien van een complex systeem waarbij we lokale verwarmingscontrole hebben”, zegt David Bershadsky, een van de pioniers van het idee en lid van het onderzoeksteam. “We kunnen de activering regelen, afhankelijk van waar we verwarmen.”
Om hun concept te demonstreren, bouwden de onderzoekers een kraanvogel (vogel), een klassiek origamifiguur, die op commando met zijn vleugels klapt. De kraan bewoog herhaaldelijk en keerde terug naar zijn oorspronkelijke vorm zonder merkbare slijtage of vervorming. Het is verre van een volledig functionele robot, maar het bewijst dat het concept absoluut mogelijk is.
Princeton Universiteit
Het wegnemen van de beperking van mechanisch gebaseerde bewegingen opent een wereld van mogelijkheden voor zachte robotica. Voorlopig blijft het systeem in de experimentele fase, gedemonstreerd in gecontroleerde laboratoriumomgevingen. Maar het ontwerp is al gericht op maakbaarheid, waarbij gebruik wordt gemaakt van in de handel verkrijgbare materialen en schaalbare fabricagemethoden.
Het team publiceerde zijn werk in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen.
Bron: Princeton Universiteit
