19/07/2024
Door Ad Spijkers
Wetenschappers van de Nanyang Technological University Singapore hebben een innovatieve draagbare stof ontwikkeld die flexibel is maar op verzoek kan verstijven.
De nieuwe technologie, RoboFabric gedoopt, is ontwikkeld door een combinatie van geometrisch ontwerp, 3D-printen en robotbesturing. Het materiaal kan snel worden omgezet in medische apparaten of zachte robotica, zoals onderdelen voor drones.
Het onderzoeksteam heeft van dit veelzijdige materiaal een elleboogsteun ontwikkeld, die mensen helpt zwaardere lasten te dragen. Er is ook een prototype van een polssteun gemaakt, dat zou kunnen helpen de gewrichten te stabiliseren voor dagelijkse activiteiten en ten goede zou kunnen komen aan patiënten met de ziekte van Parkinson die last hebben van trillen.
Schubdieren en gordeldieren
De onderzoekers werden geïnspireerd door de schubben van schubdieren en gordeldieren die in elkaar grijpen om een beschermend omhulsel te vormen. De eerste stap bij het maken van de technologie was een geavanceerd wiskundig algoritme dat een in elkaar grijpend systeem van tegeltjes ontwerpt. De 3D-geprinte tegeltjes worden vervolgens met elkaar verbonden door metaalvezels die door kleine kanaaltjes ertussen lopen, of door een externe zachte behuizing, waarvoor voortdurend vacuüm moet worden toegepast.
Wanneer de vezels samentrekken, grijpen de tegeltjes in elkaar en worden ze stijver. Hierdoor neemt de stijfheid van RoboFabric meer dan 350 keer toe en wordt extra sterkte en stabiliteit geboden. Volgens de bevindingen van het onderzoeksteam kan de menselijke spieractiviteit met wel 40% worden verminderd als het apparaat de gewrichten ondersteunt bij het tillen van lasten.
Gipsverband
De onderzoekers werden er door geïnspireerd hoe dieren vaak meerdere functionaliteiten voor hun ledematen hebben. Dit doen ze door het gebruik van ingewikkelde structuren, net zoals de variatie van vorm en stijfheid bij octopussen. De onderzoekers voorzien dat patiënten die een gipsverband nodig hebben voor fracturen in de toekomst de optie zouden hebben om een flexibele ledemaatsteun op maat te maken die op stof lijkt voordat deze verstijft.
In tegenstelling tot conventionele, stijve en niet-verwijderbare gipsverbanden, zouden ze ook met één druk op de knop kunnen worden aangebracht of verwijderd. Bij dagelijks gebruik kunnen gewrichtssteunen ouderen ook helpen bij hun dagelijkse taken, waardoor de spierkracht die nodig is voor zwaardere belastingen wordt verminderd.
Aanmaak
Om de gewrichtsondersteuning aan te passen, wordt een 3D-scan van een pols of elleboog geüpload naar eigen software. Hierin kan een speciaal algoritme een 3D-model automatisch ontleden in tientallen geometrische tegeltjes die in slechts een uur in 3D kunnen worden geprint.
Vervolgens moeten de metaalvezels door de gaten tussen de tegels worden geregen en worden aangesloten op een elektrisch apparaat dat de kabels snel strakker of losser kan maken. Dit proces van inrijgen gebeurt momenteel met de hand, maar het team zegt dat het in de toekomst geautomatiseerd kan worden. Dit is vergelijkbaar met hoe badmintonrackets opnieuw worden bespannen met een machine.
Voor robots en drones
RoboFabric zou ook toegepast kunnen worden in de robotica. Zo heeft het team een kleine robot gemaakt van dunne golfvormige tegeltjes, verzegeld in een elastische envelop. Wanneer een vacuüm wordt toegepast, gaat de RoboFabric over naar de aangewezen vorm en wordt stijf. Omgekeerd, wanneer de vacuümdruk wordt verwijderd, ontspant deze zich in een zachte toestand.
Door deze verstijving en verzachting kan de kleine robot klimmen als een worm of zwemmen in water. Ook kan hij kleine ladingen dragen of kwetsbare eigendommen beschermen door er een stijve schaal omheen te vormen. Deze mogelijkheden zijn belangrijk voor verkennings- en reddingsrobots die zich op complexe terreinen moeten verplaatsen en op verzoek bescherming moeten bieden.
In een demonstratie werden vier robots gecombineerd om een robotgrijper op een drone te vormen. Wanneer de zachte grijper stijf wordt gemaakt, krult hij zich op en kan hij kleine voorwerpen oppakken, vergelijkbaar met een grijperkraan. Om de items te laten vallen, ontspant het. De grijper doet ook dienst als schokabsorberend kussen voor harde landingen wanneer deze opkrult. Hoewel ze zacht zijn, kunnen de grijpers in het dronelichaam worden gevouwen en hebben ze geen invloed op de vliegfunctie.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: NTU Singapore