30/04/2021
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van MPI-IS hebben een op Lego lijkend systeem ontwikkeld om miniatuurrobots op maat te maken.
De bouwstenen - ze zouden 3D-pixels kunnen worden genoemd - bestaan uit verschillende materialen: van onderdelen die de constructie vormen tot aan magnetische componenten waarmee softe machines kunnen worden bestuurd. Onderzoekers kunnen de losse softe delen naar wens in elkaar zetten. Elke robot heeft een individueel magnetisatieprofiel.
Het project is het resultaat van veel eerder werk dat is uitgevoerd bij het het Max Planck Max Planck Institut für intelligent Systeme (MPI-IS) in Stuttgart. De wetenschappers werken daar al jaren aan kleine, magnetisch gestuurde en draadloze robots die ooit in de geneeskunde zouden kunnen worden gebruikt. De schaal varieert van enkele millimeters tot enkele micrometers. De ontwerpen die tot nu toe zijn ontwikkeld, waren echter beperkt in hun functionaliteit omdat ze maar uit één materiaal konden worden gemaakt.
Complexe ontwerpen
Om zachte miniatuurrobots te bouwen, zijn er veel verschillende, vaak complexe ontwerpen. Door het kleine formaat zijn de beschikbare fabricagemogelijkheden beperkt. Dat stelt onderzoekers voor een grote uitdaging. Ze proberen al jaren een innovatief productieplatform te ontwikkelen dat nieuwe mogelijkheden biedt.
Dat is hen inmiddels gelukt. Ze kunnen complexe constructies bouwen die op maat werken. Het nieuwe modulaire systeem zal de weg banen voor veel nieuwe robots, waarvan sommige misschien wel de minimaal invasieve medische apparaten van de toekomst zijn
Het instituut heeft al een verscheidenheid aan robots ontwikkeld: van een kruipende en rollende op rups geïnspireerde robot via een spinachtig constructie die hoog kan springen tot een replica van een sprinkhaanpoot en magnetisch bestuurde machines die gracieus zwemmen als kwallen. Het nieuwe platform zal deze trend versnellen. Het biedt een speeltuin voor nieuwe mogelijkheden om nog modernere zachte miniatuurmachines te bouwen.
Materialen
Tot nu toe hebben de onderzoekers de bouwstenen uit één materiaal 3D geprint of gegoten. Meer functies en een uniek magnetisatieprofiel creëren, kan alleen door verschillende materialen te combineren. Tot nu toe was dat profiel van elke robot gekoppeld aan zijn geometrie. Nu is een platform gecreëerd dat elk magnetisatieprofiel mogelijk maakt. Dit is mogelijk door verschillende magnetische onderdelen vrij in één systeem te integreren.
De basis is meestal een polymeer dat de matrix bij elkaar houdt. Maar ook worden andere soorten zachte materialen gebruikt, bijvoorbeeld biocompatibele materialen zoals gelatine. Daarnaast zijn er materialen waarin magnetische micro- of nanodeeltjes zijn ingebed. Hierdoor is de robot bestuurbaar want hij reageert hierdoor op een magnetisch veld.
Bouw van robots
De bouwstenen worden in één stap met duizenden geproduceerd. De wetenschappers maken de individuele blokken van ongeveer 100 µm met kleine vormpjes. De blokjes worden met de hand onder de microscoop in elkaar gezet, omdat de geautomatiseerde montage van de deeltjes nog te complex is.
Terwijl de onderzoekers de vorm en functionaliteit van elke robot simuleerden voordat ze gingen bouwen, volgden ze het trial-and-error-principe van bouwen totdat ze tevreden waren met het resultaat. Uiteindelijk streven ze er naar om de productie te automatiseren. Dit zal in het toekomstige onderzoekswerk een hoge prioriteit hebben. Voor de robotontwerpen van vandaag vertrouwen de wetenschappers op hun intuïtie, die is gebaseerd op jarenlange ervaring met verschillende materialen en zachte robots.
Ill.: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme