Een slim ontworpen drukventiel zorgt ervoor dat zachte robots kunnen reageren op hun omgeving zonder dat er computerbesturing nodig is, onthullen AMOLF-onderzoekers in hun Matter-artikel. Dit brengt robots met natuurlijke bewegingen en tactiele reacties vergelijkbaar met die van levende organismen een stap dichter bij de realiteit. Dergelijke ontwikkelingen maken zachte robotica meer geschikt voor het verkennen van ruig en onbekend terrein of voor medische toepassingen.
We denken nog steeds vaak aan robots als solide machines die worden bestuurd door een centrale computer die elke stap vooraf berekent. Integendeel, levende wezens bewegen soepel omdat intelligent gedrag inherent is aan hun lichaam. Dit zou ideaal zijn voor robots die constant moeten communiceren met mensen, zoals die worden gebruikt in de medische zorg. Dus zachte robotica-onderzoekers ontwikkelen robots gemaakt van zachte, flexibele materialen die zonder externe begeleiding kunnen reageren op veranderingen in hun omgeving.
Bas Overvelde, voorzitter van de Soft Robotic Matter Group bij AMOLF: “We willen robots maken zonder een centrale computer die kan bewegen en reageren op hun omgeving dankzij de feedback die in het lichaam van de robot is ingebouwd.” In Mater magazine presenteerde het Overfield-team een zachte robot die zonder elektronica op luchtdruk draait. Hij kan lopen en van tempo veranderen door te reageren op zijn omgeving dankzij een slim ontworpen ventiel.
ketchup fles
Het hart van de nieuwe zachte robot is een ‘hysterische klep’, zo verwijzen de onderzoekers in hun publicatie naar hun uitvinding. Buitenstaanders kunnen de klep herkennen als een ander type ketchupflesopening. “Het ventiel zorgt ervoor dat je de ketchup makkelijk kunt doseren en dat de vloeistof niet uit de fles lekt”, zegt Overvelde, “maar als je de fles ondersteboven draait en hard knijpt, valt de ketchup er soms uit en maakt een puinhoop.” Dit gebeurt wanneer de opening herhaaldelijk en snel losjes wordt geopend en gesloten. Moderne flessen zijn aangepast om zo min mogelijk te hangen, maar Overvelde en zijn collega’s gingen op onderzoek uit of dit normaal ongewenste gedrag robots zou kunnen laten bewegen.
De onderzoekers begonnen met een computermodel om eigenschappen als de stijfheid van de kleine plaatjes in de klepopening te ontwerpen. Vervolgens werden de ventielen geproduceerd door siliconenrubber in een precieze mal te gieten met 3D-printen. Met een laser snijden ze vervolgens kleine incisies in de kleppen. Als gevolg hiervan hebben ze kleppen geproduceerd die normaal gesproken sluiten en plotseling openen wanneer de druk hoog genoeg wordt. Pas als de druk flink gedaald is, sluiten de kleppen weer. Als je dit type ventiel aansluit op een pomp en tank, creëer je automatisch een ritme om druk op te bouwen en lucht af te laten. Hierbij worden de spieren van de zachte robot afwisselend opgeblazen en ontspannen.
Het nieuwe ingrediënt lijkt eenvoudig, maar blijkt verborgen krachten te hebben, zegt AMOLF-promovendus Luuk van Laake. “Toen we een computermodel bouwden van twee van deze kleppen die op dezelfde tank waren aangesloten, begonnen ze afwisselend met hoge nauwkeurigheid te openen. Dit was volkomen onverwacht, maar later bleek het in de praktijk ook te werken.” Op basis van dit principe konden de onderzoekers een vierbenige robot bouwen met een natuurlijke gang die geen externe commando’s nodig heeft. Ze beheerden ook een zacht robothandinstrument met vijf percussieve vingers.
reactie op de omgeving
De ultieme droom van soft robotics designers is een robot die niet alleen beweegt, maar ook reageert op zijn omgeving. Van Laake: “Uiteindelijk wil je een robot die automatisch van gang verandert als hij een obstakel tegenkomt, alleen maar omdat de spieren en gewrichten reageren op de verandering in druk.”
De reactie van de robot op de omgeving in het lab is al zeer succesvol gebleken. Toen de onderzoekers de flexibele buis kort sloten door er druk op uit te oefenen, veranderde de druk in het lichaam van de robot en schakelde de robot over op een andere manier van lopen. “Onze zachte robots reageren op de omgeving zonder dat een centrale computer deze aanstuurt”, legt Van Liek uit.
effectief
We hebben nog een lange weg te gaan voordat we zachte bedrobots hebben. Maar onderzoekers zijn optimistisch over de vooruitzichten. Overvelde: “Met onze bot zie je hoe met eenvoudige componenten complex gedrag kan worden geproduceerd zonder dat een computer elke beweging hoeft te berekenen.”
Volgens Van Laake bespaart een zachte robot die beweegt door natuurlijke reacties niet alleen computerkracht, maar ook energie. “In levende organismen komt veel van de beweging en het gedrag voort uit lichaamsvorm en spiermechanica, in plaats van de hersenen te sturen voor alle bewegingen.” Ons hart balanceert bijvoorbeeld automatisch de druk in de linker- en rechterventrikels en we hergebruiken de elastische energie die is opgeslagen in onze pezen bij elke stap die we zetten. “Dit is ongelooflijk effectief. Er zijn nog veel gedragingen te onderzoeken op dit gebied.”
Afbeelding 4: Mogelijke activeringssequenties van een vloeistofcircuit bestaande uit vijf parallel geplaatste kleppen en actuatoren.
referentie
Lucas C Van Lake, Gilles de Vries, Sevda Malik Kanye, Johannes TB Overfield, Gestroomlijnde relaxatie-oscillator voor programmeerbare sequentiële werking in zachte roboticaArtikel, 8 juli (2022).
doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.002
beleefdheid Amol.
Waarderen we de originaliteit van CleanTechnica en de berichtgeving over schone technologie? Denk eraan om een CleanTechnica-lid, supporter, technicus of ambassadeur – of patroon op Patreon.
