16/03/2022
Door Ad Spijkers
Engelse onderzoekers hebben een nieuwe manier ontdekt om zachte robots te bekleden met materialen waardoor deze doelgerichter bewegen en functioneren.
Onderzoekers aan de University of Bath menen dat hun modellering van 'actieve materie' een keerpunt kan betekenen in het ontwerp van robots. Als het concept verder wordt ontwikkeld, wordt het misschien mogelijk om de vorm, de beweging en het gedrag van een zachte vaste stof niet door zijn natuurlijke elasticiteit te bepalen, maar door door de mens gestuurde activiteit op zijn oppervlak.
Oppervlaktespanning
Het oppervlak van een gewoon zacht materiaal krimpt altijd tot een bol. Het oppervlak van vloeistoffen en andere zachte materialen trekt zich van nature samen tot het kleinst mogelijke oppervlak: een bol. Maar actieve materie kan worden ontworpen om deze neiging tegen te werken. Een voorbeeld hiervan is een rubberen bal die omwikkeld is met een laag nano-robots, waarbij de robots geprogrammeerd zijn om samen te werken en de bal te vervormen tot een nieuwe, vooraf bepaalde vorm (bijvoorbeeld een ster).
De onderzoekers hopen dat actieve materie zal leiden tot een nieuwe generatie machines waarvan de werking van binnenuit komt. In plaats van bestuurd te worden door een centrale controller (zoals de huidige robots worden bestuurd), zouden nieuwe machines kunnen worden gemaakt uit veel individuele actieve eenheden die samenwerken om de beweging en functie van de machine te bepalen. Dit is verwant aan de werking van onze eigen biologische weefsels, zoals de vezels in de hartspier.
Zachte machines
Met dit idee zouden wetenschappers zachte machines kunnen ontwerpen met armen van flexibele materialen die worden aangestuurd door robotjes die in hun oppervlak zijn ingebed. Zij zouden bijvoorbeeld de grootte en vorm van capsules voor medicijnafgifte kunnen aanpassen door het oppervlak van nanodeeltjes te bedekken met een responsief, actief materiaal. Dit zou effect kunnen hebben op de manier waarop een geneesmiddel op cellen in het lichaam reageert.
Volgens de onderzoekers laat actieve materie ons de bekende regels van de natuur - zoals het gegeven dat de oppervlaktespanning positief moet zijn - in een nieuw licht bekijken. De wetenschappers willen weten wat er gebeurt als we deze regels breken, en hoe we de resultaten kunnen benutten. Deze toekomstige technologie zou bijvoorbeeld zachte robots kunnen produceren die veel kneedbaarder zijn en beter in staat om delicate materialen op te pakken en te manipuleren.
Onderzoek
Voor de studie ontwikkelden de onderzoekers theorie en simulaties die een 3D zachte vaste stof beschrijven waarvan het oppervlak actieve spanningen ondervindt. Zij ontdekten dat deze actieve spanningen het oppervlak van het materiaal uitzetten, waardoor de vaste stof eronder wordt meegetrokken wat een globale vormverandering veroorzaakt. De wetenschappers ontdekten dat de precieze vorm die de vaste stof aanneemt vervolgens kan worden aangepast door de elastische eigenschappen van het materiaal te veranderen.
In de vervolgstudie zullen de onderzoekers dit algemene principe toepassen om specifieke robots te ontwerpen, zoals zachte armen of zelfzwemmende materialen. Ze zullen ook kijken naar collectief gedrag, bijvoorbeeld wat er gebeurt als veel actieve vaste stoffen worden samengepakt.
Ill.: Jack Binysh, University of Bath