4D-geprinte zachte robots kunnen zichzelf in elkaar zetten

Een nieuwe 4D-geprinte zachte robot ontwikkeld door onderzoekers bij Cell Press kan zichzelf in elkaar zetten wanneer hij wordt verwarmd. Hij kan taken uitvoeren zoals omhoog rollen en onvoorspelbare landschappen navigeren.

Het buisvormige prototype werd gepresenteerd in het tijdschrift Matter op 22 september.

Wei Feng is een materiaalwetenschapper aan de Tianjin University in China en senior auteur van het artikel.

“Net als een insect met antennes kan de robot een kleine hindernis overwinnen. Maar wanneer de hindernis te hoog is, zal hij terugkeren,” zegt Feng. “Het hele proces is spontaan zonder menselijke inmenging of controle.”

4D-geprint met vierde dimensie

De robot is eerst een plat en rechthoekig vel van een 3D-geprinte vloeibare kristal-elastomeer, een type plastic materiaal dat rekbaar is. Zodra het oppervlak onder dit vel wordt verwarmd, buigt de robot zich om een buis te vormen die op een veer lijkt. De reden waarom deze robot 4D-geprint is in plaats van 3D-geprint, is dat de verandering in vorm onder externe stimulatie tijd als een vierde dimensie toevoegt.

Het contact met het hete oppervlak veroorzaakt een spanning in het materiaal nadat de robot een buis heeft gevormd. Dit veroorzaakt op zijn beurt dat de robot in één richting rolt, met een zeer sterke kracht als aandrijvende kracht. Het is zo sterk dat de robot in staat is om een helling van 20 graden te beklimmen of gewichten te dragen die tot 40 keer zwaarder zijn dan hijzelf. De snelheid van de robot hangt af van zijn lengte, waarbij langere robots sneller rollen dan kortere.

Testen van de robots

De onderzoekers hebben deze robots getest om taken uit te voeren en hun vaardigheden te demonstreren terwijl ze werden opgenomen. Een van deze taken was een race tussen de verschillende groottes van de robots en een andere waarbij een kar werd getrokken. In deze video’s toonden de robots ook aan hoe ze hun gedrag konden veranderen op basis van hun omgeving. Als de robot een moeilijke hindernis tegenkwam, kon hij dingen doen zoals een tree opklimmen of van richting veranderen.

Senior auteur Feng was verrast door het gedrag van de robot.

“We hebben de vloeibare kristal-elastomeren verwerkt tot monsters van verschillende vormen door 4D-printen en hebben deze monsters gestimuleerd met licht, warmte en elektriciteit om hun reactie te observeren,” zegt hij. “We vonden veel interessante aandrijvingsfenomenen naast deformatie.”

Volgens de onderzoekers kunnen deze robots in de toekomst worden gebruikt om taken uit te voeren in kleine en beperkte ruimtes, zoals in een buis. Ze kunnen ook opereren in extreme omstandigheden, zoals op extreem hete oppervlakken.

“We hopen dat zachte robots niet langer beperkt zullen zijn tot eenvoudige actuatoren, die alleen van vorm kunnen veranderen in een vaste positie,” zegt Feng.