11/07/2023
Door Ad Spijkers
Een nieuwe pomp opent de deur voor zachte robottoepassingen in voedselverwerking, productie en biomedische therapieën
Het populairste drankje van de zomer is misschien wel de SEAS-colada. Om het te maken zijn gin, ananassap, kokosmelk en een op een diëlektrische elastomeer actuator gebaseerde zachte slangenpomp nodig. Helaas is het laatste onderdeel alleen te vinden de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard University in Boston. Tenminste, tot nu toe.
Wetenschappers aan dit instituut ontwierpen de pomp om een grote uitdaging op het gebied van zachte robotica op te lossen: hoe kunnen traditioneel volumineuze en stijve stroomcomponenten worden vervangen door zachte alternatieven.
Zachte pomp
De afgelopen jaren hebben de wetenschappers bij SEAS zachte analogen ontwikkeld van traditioneel stijve robotcomponenten, waaronder kleppen en sensoren. In door vloeistof aangedreven robotsystemen regelen pompen de druk of stroom van de vloeistof die de beweging van de robot aandrijft. De meeste pompen die beschikbaar zijn voor zachte robotica zijn ofwel te groot en te stijf om aan boord te passen, niet krachtig genoeg voor aandrijving of werken alleen met specifieke vloeistoffen.
De onderzoekers ontwikkelden een compacte, zachte pomp met instelbare stroming. Het apparaat is veelzijdig genoeg om een verscheidenheid aan vloeistoffen met verschillende viscositeit te verpompen, waaronder gin, sap en kokosmelk. Ook is de pomp krachtig genoeg om zachte haptische apparaten en een zachte robotvinger aan te drijven. De grootte, het vermogen en de veelzijdigheid van de pomp openen een scala aan mogelijkheden voor zachte robots in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder voedselverwerking, productie en biomedische therapieën.
Slangenpompen
Slangenpompen worden veel gebruikt in tal van sectoren. De eenvoudige apparaten gebruiken motoren om een flexibele buis samen te drukken, waardoor een drukverschil ontstaat dat vloeistof door de buis dwingt. Dit soort pompen is vooral handig in biomedische toepassingen omdat de vloeistof geen enkel onderdeel van de pomp zelf raakt. Slangenpompen kunnen vloeistoffen leveren met een breed scala aan viscositeiten, deeltjes-vloeistofsuspensies of vloeistoffen zoals bloed, die een uitdaging vormen voor andere soorten pompen.
Voortbouwend op eerder onderzoek ontwierpen de wetenschappers elektrisch aangedreven diëlektrische elastomeeractuatoren (DEA's) om te fungeren als de motor en rollen van de pomp. Deze zachte actuatoren hebben een ultrahoge vermogensdichtheid, zijn licht van gewicht en kunnen honderdduizenden cycli draaien. Het team ontwierp een reeks DEA's die met elkaar samenwerken, waarbij een kanaal ter grootte van een millimeter in een geprogrammeerde volgorde wordt gecomprimeerd om drukgolven te produceren.
Het resultaat is een pomp van een centimeter die klein genoeg is om aan boord van een kleine, zachte robot te passen en krachtig genoeg is om beweging op gang te brengen, met regelbare druk, stroomsnelheid en stroomrichting.
Toepassing
De onderzoekers hebben aangetoond dat ze de uitgang van continue stroom naar druppels actief kunnen afstemmen door de ingangsspanningen en de uitlaatweerstand te variëren, in dit geval de diameter van de stompe naald. Door deze mogelijkheid kan de pomp niet alleen nuttig zijn voor robotica, maar ook voor microfluïdische toepassingen."
De meeste zachte robots bevatten ergens in hun aandrijflijn stijve componenten. Dit ontwerp begon als een poging om een van die sleutelstukken, de pomp, te vervangen door een zacht alternatief. Gaandeweg realiseerden de onderzoekers zich dat compacte zachte pompen veel nuttiger kunnen zijn, bijvoorbeeld in biomedische omgevingen voor medicijnafgifte of in implanteerbare therapeutische apparaten.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS