Zelfherstellende robotgrijpers

De grijpers voor gebruik in zachte robotica zijn aanpasbaar, recyclebaar en bestand tegen schade.

Voor de fabricage van zachte robots worden doorgaans zachte en flexibele materialen gebruikt. Deze zijn schokabsorberend en kunnen de robot beschermen tegen mechanische schokken. Deze materialen zorgen ervoor dat zachte universele grijpers zich kunnen aanpassen aan een breed scala aan verschillende en onregelmatig gevormde voorwerpen en deze kunnen vastgrijpen en hanteren.

Elastomeer

Onderzoekers van de University of Cambridge en de Vrije Universiteit Brussel hebben een alternatief ontwikkeld. Het flexibele en vervormbare membraan van hun grijper bestaat uit een zelfherstellend elastomeer. Het is een speciale klasse polymeer dat zichzelf kan herstellen van macroscopische schade. Hiertoe behoren krassen en gaatjes die zijn veroorzaakt door direct contact met scherpe voorwerpen of oppervlakken.

Een druksensor fungeert als vroegtijdig waarschuwingssysteem voor schadedetectie. Ondertussen zorgt de autonome geïntegreerde verwarming voor een snelle genezing in ongeveer negen minuten bij de gewenste temperatuur van 70°C.

In tegenstelling tot andere universele robotgrijpers kan deze zelfherstellende universele grijper opnieuw worden verwerkt en gerecycled. Hierin verschilt het materiaal van de traditionele siliconen die momenteel worden gebruikt in zachte robotgrijpers en een slechte recycleerbaarheid en een beperkte levensduur bieden.

Zelfherstellend vermogen

De onderzoekers ontdekten dat de zelfherstellende universele grijper tijdens een pick-and-place-taak op betrouwbare wijze een reeks objecten kan vastpakken, waaronder tangen, markeerstiften, rollen tape en schroevendraaiers. Dit komt door het ontwerp van de grijper, dat gebaseerd is op het vastlopen van deeltjes. Sterk geleidende stalen kogels die in het zelfherstellende membraan zijn ingesloten, helpen de warmteoverdracht te maximaliseren en zo het autonome genezingsproces te bevorderen. Ook kunnen de stalen kogels hergebruikt worden in een nieuwe grijper of door middel van smelten opnieuw verwerkt worden.

Het zelfherstellende polymeer dat de onderzoekers voor hun zachte grijper hebben gebruikt, heeft een goede mechanische sterkte, een adaptieve grip en is bestand tegen schade. Waar de schade te groot is om te genezen, is een grijper ontworpen met een hoog recyclingpotentieel. Hij kan worden omgesmolten, opnieuw verwerkt en omgevormd tot een nieuwe grijper. Dat biedt in de toekomst een duurzame optie biedt voor universele grijpers en zachte robotica in het algemeen.

Herstelproces

Experimenten toonden aan dat er geen sluiting of afdichting van het beschadigde polymeer plaatsvond bij temperaturen onder 70°C. Het onderzoeksteam onderzocht de herstellende werking van het polymeermembraan op verschillende manieren:

• door het oppervlak met een scalpel af te snijden om schade veroorzaakt door scherpe voorwerpen of gekartelde randen na te bootsen;
• door het polymeer met een naald te doorboren, wordt de schade nagebootst die wordt veroorzaakt door doornige voorwerpen zoals gebroken glas en stekelige twijgen;
• snijden en scheuren om fatale schade aan de grijper toe te brengen die waarschijnlijk zal optreden voordat dit tot een catastrofaal falen van de grijper leidt.

De onderzoekers deden een microscopische analyse van een polymeermonster, dat genezen was nadat het in tweeën was gesneden en tijdens een trekproef onder kracht was gebroken. Het bleek dat een nieuwe breuk was ontstaan op een locatie die verschilde van het oorspronkelijke litteken. Volgens de onderzoekers laat deze bevinding drie dingen zien:

• de succesvolle en volledige genezing van de losgemaakte twee delen;
• het volledige herstel van de mechanische eigenschappen van het polymeer;
• de bevestiging dat er geen zwak punt is ontstaan op de locatie van het oorspronkelijke litteken.

Het behoud van de mechanische prestaties en stabiliteit van polymeren naast snelle genezing bij omgevingstemperatuur (hetzij door hitte of licht) is een uitdaging gebleken voor de gemeenschap van zelfherstellende materialen. Met de nieuwe grijper wordt het hele zelfherstelproces – schadedetectie, heroriëntatie (de grijper ondersteboven in zijn 'genezingspositie' draaien om het contact tussen de stalen kogels en de geïntegreerde verwarming te vergroten) en temperatuurregeling – autonoom uitgevoerd, zonder elke behoefte aan menselijk ingrijpen. Hierdoor ontstaat een systeem dat zo goed als nieuw is en zijn taken weer op zich kan nemen.

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: screenshot video