07/05/2024
Door Ad Spijkers
De segmenten van de robot kunnen worden opgevouwen tot een platte schijf en kunnen zich uitstrekken tot een cilinder.
Wetenschappers van Princeton University (bij New York City) en North Carolina State University in Raleigh hebben eeuwenoud papiervouwen en moderne materiaalkunde gecombineerd. Ze creëren een zachte robot die gemakkelijk door doolhoven buigt en draait. Door in delen kan de robot zich buigen, waardoor bewegen en sturen mogelijk is.
Zachte robots
Zachte robots kunnen een uitdaging zijn om te besturen, omdat stuurapparatuur vaak de stijfheid van de robot vergroot en de flexibiliteit ervan vermindert. Het nieuwe ontwerp overwint deze problemen door het stuursysteem rechtstreeks in het lichaam van de robot te bouwen. De onderzoekers hebben de robot uit modulaire, cilindrische segmenten opgebouwd. De segmenten kunnen onafhankelijk werken of samen een langere eenheid vormen. Daarmee dragen ze allemaal bij aan het vermogen van de robot om te bewegen en te sturen. Dankzij het nieuwe systeem kan de flexibele robot vooruit en achteruit kruipen, producten oppakken en zich in langere formaties verzamelen.
Het concept van modulaire zachte robots kan inzicht geven in toekomstige zachte robots die kunnen groeien, repareren en nieuwe functies kunnen ontwikkelen. Het vermogen van de robot om onderweg samen te komen en op te splitsen ervoor zorgt dat het systeem als een enkele robot of als een zwerm kan werken. Elk segment kan een individuele eenheid zijn, en de segmenten kunnen met elkaar communiceren en op commando bijeenkomen. Ze kunnen gemakkelijk van elkaar worden gescheiden. Om ze met elkaar te verbinden, gebruiken de onderzoekers magneten.
Origami-robot
De onderzoekers hebben in het laboratorium een bio-geïnspireerde plug-and-play zachte, modulaire origami-robot gecreëerd. Deze werd mogelijk gemaakt door elektrothermische aandrijving met buigbare en aanpasbare verwarmingselementen. Dit is een veelbelovende technologie met mogelijke vertaling naar robots die op verzoek kunnen groeien, genezen en zich aanpassen.
De onderzoekers begonnen met het bouwen van hun robot uit cilindrische segmenten met een origami-vorm, een zogenaamde Kresling-patroon. Door het patroon kan elk segment in een afgeplatte schijf draaien en weer uitzetten in een cilinder. Deze draaiende, uitdijende beweging vormt de basis voor het vermogen van de robot om te kruipen en van richting te veranderen. Door een deel van de cilinder gedeeltelijk te vouwen, kunnen de onderzoekers een zijdelingse bocht in een robotsegment aanbrengen. Door kleine bochten te combineren, verandert de robot van richting terwijl hij vooruit beweegt.
Een van de meest uitdagende aspecten van het werk was het ontwikkelen van een mechanisme om de buig- en vouwbewegingen te controleren die worden gebruikt om de robot aan te drijven en te sturen. De onderzoekers vonden de oplossing in het gebruik van twee materialen die bij verhitting verschillend krimpen of uitzetten (vloeibaar kristalelastomeer en polyimide). Ze combineerden deze tot dunne stroken langs de vouwen van het Kresling-patroon.
Nanodraden
Ze installeerden langs elke vouw ook een dun rekbaar verwarmingselement, gemaakt van een netwerk van zilveren nanodraden. Elektrische stroom op de nanodraad verwarmt de controlestrips, en de verschillende uitzetting van de twee materialen introduceert een vouw in de strip. Door de stroom en het materiaal dat in de controlestrips wordt gebruikt te kalibreren, kunnen de onderzoekers het vouwen en buigen nauwkeurig controleren om de beweging en besturing van de robot aan te sturen.
Zilveren nanodraad is een goed materiaal om rekbare geleiders te vervaardigen. Rekbare geleiders zijn bouwstenen voor een verscheidenheid aan rekbare elektronische apparaten, waaronder rekbare verwarmingstoestellen. Hier hebben de onderzoekers de rekbare verwarming gebruikt als bedieningsmechanisme voor de buig- en vouwbewegingen.
Bij eerder werk van het laboratorium gebruik werd gemaakt van de rekbare verwarming voor het continu buigen van een dubbellaagse structuur. In dit onderzoek hebben de onderzoekers gelokaliseerde, scherpe vouwen gerealiseerd om het origamipatroon te activeren. Deze effectieve bedieningsmethode kan over het algemeen worden toegepast op origami-structuren (met vouwen) voor zachte robotica.
Volgens de onderzoekers heeft de huidige versie van de robot een beperkte snelheid. Ze werken er aan om de voortbeweging in latere generaties te vergroten. Ook willen ze experimenteren met verschillende vormen, patronen en instabiliteit om zowel de snelheid als de besturing te verbeteren.
Foto: Frank Wojciechowski/Princeton University