11/07/2024
Door Ad Spijkers
Vereenvoudigde, goedkope zachte actuatoren maken wormachtig kruipen, biceps-achtig tillen en meer mogelijk.
Technici van de Northwestern University in Evanston (aan de noordrand van Chicago) hebben een nieuw zacht, flexibel apparaat ontwikkeld. Het laat robots bewegen door uit te zetten en samen te trekken, net als een menselijke spier.
Om de nieuwe actuator te demonstreren, gebruikten de onderzoekers het om een cilindrische, wormachtige zachte robot en een kunstmatige biceps te creëren. In experimenten navigeerde deze robot door de krappe haarspeldbochten van een smalle pijpachtige omgeving. De biceps kon 5000 keer achter elkaar een gewicht van 500 g optillen zonder te falen.
3D-geprint rubber
De onderzoekers hebben het lichaam van de zachte actuator 3D geprint met behulp van gewoon rubber. Hierdoor kosten de resulterende robots ongeveer drie dollar aan materialen, exclusief de kleine motor die de vormverandering van de actuator aanstuurt. Dat staat in schril contrast met de typische stijve, starre actuatoren die in de robotica worden gebruikt en honderden tot duizenden dollars kosten.
De nieuwe actuator zou kunnen worden gebruikt om goedkope, zachte, flexibele robots te ontwikkelen, die veiliger en praktischer zijn voor toepassingen in de echte wereld, aldus onderzoekers. Deze robots zijn praktischer voor mensgerichte omgevingen en door de lage kosten zouden mensen er mogelijk meer van kunnen gebruiken op manieren die historisch gezien te kostbaar waren.
Stijve actuatoren zijn lange tijd de hoeksteen van een robotontwerp geweest. Maar hun beperkte flexibiliteit, aanpassingsvermogen en veiligheid hebben robotici er toe aangezet om zachte actuatoren als alternatief te onderzoeken. Hierdoor laten onderzoekers zich vaak inspireren door menselijke spieren, die tegelijkertijd samentrekken en verstijven. Door materialen te maken die als een spier kunnen bewegen, zijn robots mogelijk die zich gedragen en bewegen als levende organismen.
Goedkoper
Om de nieuwe actuator te ontwikkelen, heeft het team uit rubber 3D-geprinte cilindrische structuren vervaardigd, die ze 'handed shearing auxetics' noemen (handmatige schaarhulpmiddelen). HSA's zijn moeilijk te fabriceren en belichamen een complexe structuur die unieke bewegingen en eigenschappen mogelijk maakt. Wanneer ze bijvoorbeeld worden gedraaid, zetten ze zich in de lengte en breedte uit.
De onderzoekers waren in het verleden voor vergelijkbare 3D-geprinte HSA-structuren voor robots gebonden aan het gebruik van dure printers en harde kunststoffen. Hierdoor konden hun vorige HSA's niet gemakkelijk buigen of vervormen. Ze moesten dus een manier vinden om HSA’s zachter en duurzamer te maken. De slaagden er in zachte maar robuuste HSA's uit rubber te maken met behulp van een goedkopere en gemakkelijker verkrijgbare desktop 3D-printer.
Zo zijn er HSA's geprint van thermoplastisch polyurethaan, een veelgebruikt rubber dat vaak wordt gebruikt in hoesjes voor mobiele telefoons. Hoewel dit de kunstspieren zachter en flexibeler maakte, bleef er één uitdaging bestaan: hoe de HSA's te verdraaien zodat ze zich konden uitzettten.
Aandrijving
Eerdere versies van zachte actuatoren maakten gebruik van gewone servomotoren om de materialen in uitgestrekte en uitgezette toestanden te draaien. Maar de onderzoekers bereikten pas een succesvolle activering nadat ze twee of vier HSA’s – elk met een eigen motor – samen hadden gemonteerd. Het op deze manier bouwen van zachte actuatoren bracht fabricage- en operationele uitdagingen met zich mee. Het verminderde ook de zachtheid van de HSA-actuatoren.
Om een verbeterde zachte actuator te bouwen, wilden de onderzoekers een enkele HSA ontwerpen, aangedreven door één servomotor. Daarvoor moest het team eerst een manier vinden om van een enkele motor een enkele HSA te maken.
Hiertoe voegden ze een zachte, uitschuifbare rubberen balg aan de structuur toe die werkte als een vervormbare, roterende as. Terwijl de motor koppel leverde, werd de actuator uitgeschoven. Door de motor in de ene of de andere richting te draaien, wordt de actuator uitgeschoven of ingetrokken. In wezen zijn daardoor twee rubberen onderdelen ontworpen om spierachtige bewegingen te creëren met de draai van een motor. Het resultaat is een praktische zachte actuator die elke roboticus kan gebruiken en maken.
De balg zorgde voor voldoende ondersteuning om een kruipende, zachte robot te bouwen uit een enkele actuator die zelfstandig bewoog. De duwende en trekkende bewegingen van de actuator stuwden de robot vooruit door een kronkelende, beperkte omgeving die een pijp simuleerde. Door de enkele structuur kan de actuator universeel worden geïntegreerd in alle soorten robotsystemen.
Het ontbrekende stukje
De resulterende wormachtige robot was compact (26 cm lang) en kroop zowel achteruit als vooruit met iets meer dan 32 cm/min. Zowel de robot als de kunstmatige biceps wordt stijver als de actuator volledig is uitgeschoven. Dit was een eigenschap die eerdere zachte robots niet konden bereiken. Veel zachte actuatoren worden zachter tijdens gebruik, maar de nieuwe flexibele actuatoren worden stijver naarmate ze werken.
Volgens de onderzoekers is de nieuwe actuator een stap is in de richting van meer bio-geïnspireerde robots. Dankzij robots die kunnen bewegen als levende organismen kunnen mensen nadenken over robots die taken uitvoeren die conventionele robots niet kunnen doen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Ryan Truby, Taekyoung Kim, Northwestern University