Als iemand je zou vragen om als een robot te bewegen en je antwoordde met de vloeiende kunst van het ballet, zou je publiek verbijsterd zijn, maar technisch gezien zou je gelijk hebben. Robots staan bekend om hun karakteristieke stijve beweging, die in sommige toepassingen nuttig is, maar het aanpassingsvermogen kan belemmeren. Nu hebben onderzoekers een robotvleugel ontwikkeld die als geen ander beweegt.
Met behulp van een combinatie van zachte robotica en biomimicry heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Southampton, de Universiteit van Edinburgh en de Technische Universiteit Delft een robotvleugel ontwikkeld die onder water opmerkelijk soepel beweegt. De vleugel heeft een huid die kan ‘voelen’ en zich kan aanpassen aan verstoringen.
Universiteit van Southampton
Robots hebben het veel moeilijker om onder water te bewegen dan op het land. Om te beginnen is water 800 keer dichter dan lucht. Deze dichtheid versterkt krachten zoals weerstand en extra massa, waardoor bewegingen langzamer, energie-intensiever en moeilijker te controleren zijn. Bovendien zijn waterlichamen zelden kalm, waarbij de snelheid en richting van het water rond het voertuig vaak zeer snel en onvoorspelbaar veranderen.
Bij op afstand bediende voertuigen (ROV’s) en autonome onderwatervoertuigen (AUV’s) die bijvoorbeeld een pad proberen te volgen of positie vast te houden tijdens het uitvoeren van inspecties of reparaties, kunnen deze verstoringen ervoor zorgen dat ze plotseling hun stabiliteit verliezen en uit koers raken. Ingenieurs hebben deze uitdagingen van oudsher aangepakt met behulp van stijve, gestroomlijnde voertuigen met actieve controlesystemen. Er is ook onderzoek gedaan naar systemen van zacht materiaal om omgevingskrachten passief te absorberen.
Deze oplossingen hebben echter hun eigen problemen. Hoe agressiever een robot verstoringen moet tegengaan, hoe meer stroom hij verbruikt. Bovendien kunnen de mechanische systemen die vleugels of gewrichten herhaaldelijk bewegen ook onderhevig zijn aan slijtage en vermoeidheid. Zonder geïntegreerde detectie of feedback zijn ‘soft-only’-systemen beperkt in hun vermogen om op snelle veranderingen te reageren en een nauwkeurige manoeuvreerbaarheid te behouden. Samenvattend: bestaande oplossingen reageren ofwel te langzaam, vergen te veel energie, of kunnen zich niet soepel genoeg aanpassen aan de voortdurend veranderende stromingsomstandigheden onder water.
Aan de andere kant gedijen vissen en vogels onder dezelfde omstandigheden en dartelen ze gracieus door de chaos. Hoe? Het team van onderzoekers vond het antwoord in proprioceptie: het vermogen van dieren om vloeibare krachten waar te nemen en erop te reageren. Vissen en vogels kunnen de positie en vervorming van hun eigen vleugels of vinnen waarnemen en deze in realtime aanpassen om de stabiliteit te behouden.
Universiteit van Southampton
Geïnspireerd door dit vermogen ontwikkelde het team een zachte robotvleugel die zijn eigen vorm kan waarnemen terwijl hij door water beweegt. Het systeem is gebouwd rond een flexibele vleugel van zachte materialen, waardoor deze onder vloeiende krachten kan buigen en vervormen. In tegenstelling tot stijve draagvleugelboten die tegen plotselinge stromingen vechten, buigt deze flexibele structuur eenvoudigweg, waardoor een deel van de verstoring passief wordt geabsorbeerd en de destabiliserende krachten die op het voertuig inwerken, worden verminderd.
“In plaats van ‘hardere’ robots te bouwen die zijn ontworpen om de kracht van de oceaan te bestrijden, evolueren we naar slimmere, zachtere machines die in synergie met de omgeving werken”, zegt Leo Micklem, hoofdauteur van het artikel.
Om de vleugel ‘zelfbewustzijn’ en actieve controle te geven, integreerde het team een proprioceptieve elektronische ‘huid’ rechtstreeks in de structuur. Deze dunne siliconenlaag bevat elektroden van vloeibaar metaal, gerangschikt in lijnpatronen die als zenuwen werken. Wanneer de vleugel buigt, verandert de afstand tussen deze elektroden, waardoor hun elektrische capaciteit verandert en het systeem de realtime vervorming van de vleugel kan waarnemen.
Twee onder druk staande hydraulische buizen in het vleugellichaam reageren op deze sensorische feedback en passen automatisch de stijfheid en de welving van de vleugel aan wanneer de vorm afwijkt van de gewenste toestand. Het resultaat is een hybride passief-actief systeem: de natuurlijke flexibiliteit van de vleugel absorbeert automatisch een deel van de verstoring, terwijl de waarnemende huid en actuatoren corrigeren wat overblijft, waardoor een stabiele beweging behouden blijft.
Universiteit van Southampton
Tijdens het testen onderwierp het team de vleugel aan stromingsfluctuaties van verschillende vormen en grootten, waarbij de resultaten werden vergeleken met een standaard ontwerp met stijve vleugels en een basisontwerp met zachte vleugels zonder proprioceptieve mogelijkheden.
De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift npj Roboticawaren indrukwekkend. Naast het consequent behouden van soepelere trajecten, verminderde de proprioceptieve zachte vleugel de ongewenste liftimpuls als gevolg van de verstoring met 87% vergeleken met zijn stijve tegenhangers op conventionele AUV’s. Stijve vleugels ondervonden een abrupte destabilisatie, terwijl passieve zachte vleugels zonder waarneming en controle moeite hadden om te herstellen van grotere stroomverstoringen.
Dus waarom is de proprioceptieve robotvleugel iets om enthousiast over te zijn? Met de extra stabiliteit die de vleugels bieden, kunnen AUV’s efficiënter en nauwkeuriger navigeren en meerdere onderwatertaken uitvoeren, van reparatie tot bewaking en inspectie. Bovendien vermindert de vleugel de stroombehoefte van AUV’s, waardoor ingenieurs compactere AUV’s kunnen ontwerpen. In wezen brengt deze technologie robotsystemen dichter bij het aanpassingsvermogen en de robuustheid van de natuur, waardoor de deur wordt geopend voor veiligere, efficiëntere en capabelere autonome robots in reële omstandigheden.
Bron: Universiteit van Southampton
