19/08/2021
Door Ad Spijkers
Actuator werd geïnspireerd door in zout water levend ongewerveld dier.
Zeekomkommers hebben een hobbelige en langwerpige vorm. Ze zijn zacht, maar verstijven snel bij aanraking. Ze kunnen krimpen of uitrekken tot enkele meters. Hun oorspronkelijke vorm kan met regulering van de wateropname worden hersteld, zelfs nadat ze zijn gestorven en verschrompelen. Een onderzoeksteam van de Pohang University of Science & Technology (Postech) in Pohang (Zuid-Korea) heeft een zachte actuator ontwikkeld, geïnspireerd op dit gedrag van zeekomkommers.
Van collageen weefsel …..
Het onderzoeksteam werd geïnspireerd door het muteerbaar collageenweefsel van een bepaalde soort zeekomkommer. Ze ontwikkelden een water door aangedreven zelfwerkende zachte actuator die de kracht en snelheid van conventionele soft actuators overtreft. Het lichaam van deze zeekomkommer is gemaakt van genoemd weefsel. Het kan harder of zachter worden afhankelijk van wat het best past bij de omgeving.
In een kwestie van een paar seconden kan de elasticiteitsmodulus van zeekomkommers tot tien keer veranderen. De in zout water levende ongewervelde dieren kunnen hierdoor snel door spleten glippen of zichzelf opblazen om roofdieren te bedreigen. Deze verandering wordt veroorzaakt door de vorming of vernietiging van waterstofbruggen in collagene weefsels door de chemische regulatoren ervan te beheersen.
….. tot actuator
Een actuator is doorgaans een stijve component waarvan de fysieke toestand verandert door een elektrisch signaal, bijvoorbeeld een motor of een schakelaar. Een zachte actuator die reageert op water –water wordt als energiebron gebruikt – kan worden toegepast op zachte robotica die bewegingsvrijheid vereist. De bestaande zachte actuatoren zijn echter beperkt in hun toepassing gezien hun kwetsbaarheid en lage snelheid.
Geïnspireerd door het collageenweefsel van zeekomkommers, die vrijelijk van vorm veranderen door te reageren met water, ontwierp het onderzoeksteam een programmeerbare actuator. Deze actuator is gebaseerd op de bulk PNIPAAm-hydrogel die zeer flexibel verandert. Dit gel heeft een bedieningskracht die 200 keer (2 N) groter is en een bedieningskracht die 300 keer (1/3 sec) sneller aangrijpt dan conventionele zachte actuatoren die water als energiebron gebruiken. Dit geldt zelfs onder water bij een temperatuur van 80°C.
Bovendien werd door verschillende tests aangetoond dat de actuator robuust genoeg was om de oorspronkelijke vorm te herstellen, zelfs wanneer deze werd blootgesteld aan 300% trekbelasting.
Toepassing
De actuator kan in veel verschillende sectoren worden toegepast, zoals industriële en biomedische gebieden. Hiertoe behoren ook professionele robots, voor grijpers die materialen zoals een menselijke arm grijpen en optillen, voor het afdekken van wonden en voor kunstmatige vingers.
De zachte robot wordt geactiveerd wanneer hij in contact komt met vocht en is flexibel en vervormbaar om zich gemakkelijk aan verschillende omgevingen aan te passen. De nieuw ontwikkelde hydrogel-actuator is krachtig en wordt snel geactiveerd en kan zelfs op plaatsen zonder elektriciteit werken door chemische energie te gebruiken. Het onderzoek werd gesubsidieerd door de Zuid-Koreaanse overheid.
Foto: Postech