01/09/2022
Door Ad Spijkers
Een van de eerste demonstraties is die van een pneumatische hand gemaakt met behulp van een eenvoudige 3D-printer.
De pneumatische kunstmatige spieren bestaan uit 3D-geprinte structuren die naar behoefte kunnen uitstrekken en samentrekken. De onderzoekers toonden de veelzijdigheid van de actuatoren in een eerste demonstratie, een pneumatische hand, bestaande uit 18 verschillende Grace-actuatoren, vervaardigd in een enkel printproces.
De Grace-actuatoren – een acroniem voor GeometRy based Actuators able to Contract and Elongate – zijn bedacht door onderzoekers van het Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Genua en de Scuola Superiore Sant'Anna (SSSA) in Pisa.
Kunstmatige spieren
Het creëren van kunstmatige spieren is een ambitieus doel in de robotica, omdat spierweefsel in de natuur complexe eigenschappen heeft die veelzijdige bewegingen mogelijk maken. Dat varieert van snelle, krachtige samentrekkingen tot kleine en precieze veranderingen in lichaamsvorm, zoals die van menselijke gezichtsuitdrukkingen. Hoewel individuele spiervezels alleen kunnen samentrekken, maakt hun specifieke rangschikking in complexe spierarchitecturen gearticuleerde vervormingen mogelijk, zoals buigen, draaien en antagonistische bewegingen.
Het onderzoeksteam werkte aan dit probleem door uit te gaan van individuele pneumatische actuatoren. Elke actuator kan eenvoudig uitzetten, verlengen en inkrimpen door middel van zijn geometrische vorm, die lijkt op een spindel met plooien. De actuator bestaat uit een enkele eenheid die 3D kan worden geprint en vervaardigd met verschillende materialen en in verschillende maten.
Complexe architecturen
Verschillende Grace-actuatoren kunnen kant-en-klaar worden afgedrukt in complexe architecturen om de vereiste soorten beweging te bieden. Hun grootte wordt beperkt door de gebruikte productietechnologie. Ze kunnen in verschillende maten worden gebouwd en de prestaties zijn te variëren, zowel in termen van vervorming als sterkte.
De onderzoekers demonstreerden de kenmerken van de Grace-actuatoren door in een enkel printproces met behulp van een commerciële 3D-printer een pneumatische hand te printen. Het gebruikte materiaal was een zachte hars en het bevat 18 actuatoren van verschillende groottes en vormen. Hierdoor is het met een druk van enkele tienden van een bar mogelijk om de vingers te buigen, de handpalm te draaien en de pols te draaien. De hand weegt ongeveer honderd gram en is qua grootte vergelijkbaar met een mensenhand.
Eigenschappen
De actuatoren zijn zo ontworpen dat ze meer dan duizend keer hun gewicht kunnen dragen, afhankelijk van het materiaal dat is gebruikt om ze te maken. De gegenereerde krachten en vereiste drukken kunnen worden verhoogd of verlaagd door materialen met een hogere of lagere stijfheid te gebruiken Ook is de dikte van het membraan waaruit deze actuatoren bestaan te wijzigen, terwijl dezelfde contractie- en extensieprestaties behouden blijven.
Door hun kenmerken zijn de Grace-actuators geschikt voor toepassing in verschillende robotoplossingen, met behulp van eenvoudige technieken en tegen lage kosten. Hun gemakkelijke fabricage maakt ze ook reproduceerbaar buiten onderzoekslaboratoria, zoals in de fab-labs die beschikbaar zijn voor makers. De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Festo brengt overigens al enkele jaren een pneumatische kunstmatige spier op de markt, een flexibele variant van een gewone cilinder die wordt vooral gebruikt in industriële toepassingen.
Foto: IIT