18/07/2022
Door Ad Spijkers
Opblaasbare actuatoren gebruiken origami-principes om op ingewikkelde manieren te vervormen.
Opblaasbare zachte actuatoren die van vorm kunnen veranderen met een simpele drukverhoging, kunnen krachtige, lichtgewicht en flexibele componenten zijn voor zachte robotsystemen. Maar er is een probleem: deze actuatoren vervormen altijd op dezelfde manier bij het onder druk zetten. Om de functionaliteit van zachte robots te verbeteren, is het belangrijk om aanvullende en complexere vormen van vervorming in zachte actuatoren mogelijk te maken.
Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Allston en Cambridge (Massachusetts) hebben zich laten inspireren door origami om opblaasbare structuren te creëren die op complexe, verschillende manieren kunnen buigen, draaien en bewegen vanuit een enkele drukbron.
Van monostabiel naar bistabiel
De meeste van de huidige opblaasbare zachte aandrijvingen zijn monostabiel: ze hebben een constante druk nodig om hun opgeblazen toestand te behouden. Als die druk wegvalt, loopt de structuur leeg tot zijn enige stabiele vorm. Een opgeblazen monostabiele krijgt altijd dezelfde ontplooide vorm en keert het terug naar dezelfde oorspronkelijke vorm als de druk wegvalt. In hun onderzoek werk gebruiken de wetenschappers bistabiele origami-bouwstenen om die beperking te omzeilen.
Bistabiele origamiblokken zijn stabiel in twee verschillende configuraties en vereisen geen constante druk om ingezet te blijven. Het onderzoeksteam gebruikte een klassiek origamipatroon dat bekend staat als het Kresling-motief. Dit wordt gekenmerkt door afwisselende berg- en dalplooien op een cilinder om driehoekige cellen te vormen.
Defect
De onderzoekers maakten eerst eenvoudige monostabiele modules uit het Kresling-patroon. Om bistabiliteit te ontgrendelen, voegden ze een defect toe aan het origami-motief. Een extra knoop creëert een koepel met vier driehoeken die naar binnen of naar buiten kan springen als er een bepaalde hoeveelheid negatieve of positieve druk wordt geleverd.
De onderzoekers blazen de structuur eerst op met een specifieke druk om specifieke cellen op te blazen die open blijven staan, zelfs als de druk wegvalt. Omdat ze de symmetrie doorbreken, kunnen de onderzoekers in deze nieuwe configuratie een vacuüm gebruiken om buigen, samentrekken of draaien teweeg te brengen. Vervolgens blazen ze de structuur op tot een tweede druk om extra cellen te laten ontplooien die compleet verschillende vervormingen ontgrendelen wanneer ze opnieuw vacuüm trekken.
Door verschillende modules samen te stellen en hun geometrie zo af te stemmen dat ze bij verschillende drukken breken, creëren de onderzoekers structuren die complexe vormen kunnen creëren en vervormingsmodi die kunnen worden voorgeprogrammeerd en geactiveerd met slechts één drukbron.
Twaalf modules
De onderzoekers bouwden een actuator met twaalf verschillende modules en toonden aan dat deze tot acht verschillende, complexe bewegingen kan uitvoeren. Ze ontwikkelden ook een algoritme dat de optimale combinatie van modules voor de gewenste vervormingsmodi kan identificeren.
Aangezien de mechanica die in het systeem speelt, wordt aangedreven door geometrie, zou de aanpak kunnen leiden tot toepassingen op verschillende schalen. Door simpelweg de druk te verhogen en te verlagen, kunnen de opblaasbare actuatoren complexe taken uitvoeren zonder dat kabels, motoren of elektriciteit nodig zijn. Dit is interessant voor veel toepassingen, waaronder chirurgische ingrepen of ruimteverkenning.
Foto: Harvard SEAS