Grote ontwikkelingen brengen ons dichter bij volledig ontkoppelde zachte robots

Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en Caltech hebben nieuwe zachte robotische systemen ontwikkeld die geïnspireerd zijn op origami. Deze nieuwe systemen kunnen zich verplaatsen en van vorm veranderen in reactie op externe stimuli. De nieuwe ontwikkelingen brengen ons dichter bij het hebben van volledig ontkoppelde zachte robots. De zachte robots die we vandaag hebben, gebruiken externe energie en controle. Daardoor moeten ze verbonden zijn met off-board systemen met harde componenten.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Science Robotics. Jennifer A. Lewis, een Hansjorg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering aan SEAS en co-hoofdauteur van de studie, sprak over de nieuwe ontwikkelingen.

“De mogelijkheid om actieve materialen te integreren in 3D-geprinte objecten maakt het mogelijk om geheel nieuwe klassen van zachte robotische materie te ontwerpen en te fabriceren”, zei ze.

De onderzoekers gebruikten origami als model om multifunctionele zachte robots te creëren. Origami kan, door middel van opeenvolgende vouwen, veranderen in meerdere vormen en functionaliteiten terwijl het in een enkele structuur blijft. Het onderzoeksteam gebruikte vloeibare kristal-elastomeren die hun vorm kunnen veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan warmte. Het team gebruikte 3D-printen om twee soorten zachte scharnieren te krijgen. Deze scharnieren vouwen afhankelijk van de temperatuur en kunnen worden geprogrammeerd om in een specifieke volgorde te vouwen.

Arda Kotikan is een graduate student aan SEAS en de Graduate School of Arts and Sciences en de co-first auteur van het paper.

“Met onze methode van 3D-printen van actieve scharnieren, hebben we volledige programmabiliteit over temperatuurrespons, de hoeveelheid koppel die de scharnieren kunnen uitoefenen, hun buigingshoek en vouworiantatie. Onze fabricagemethode maakt het mogelijk om deze actieve componenten te integreren met andere materialen”, zei ze.

Connor McMahan is een graduate student aan Caltech en co-first auteur van het paper.

“Het gebruik van scharnieren maakt het gemakkelijker om robotische functies te programmeren en te controleren hoe een robot van vorm verandert. In plaats van dat het hele lichaam van een zachte robot zich op een manier verandert die moeilijk te voorspellen is, hoeft u alleen te programmeren hoe een paar kleine regio’s van uw structuur zullen reageren op veranderingen in temperatuur”, zei hij.

Het team van onderzoekers bouwde meerdere zachte apparaten. Een van deze apparaten was een ontkoppelde zachte robot genaamd “Rollbot”. Het begint als een 8 centimeter lange en 4 centimeter brede platte plaat. Wanneer het in contact komt met een hete oppervlakte van ongeveer 200°C, vouwt een set van de scharnieren en vormt de robot zich tot een pentagonale wiel.

Aan elke van de vijf zijden van het wiel zijn er meer sets van scharnieren die vouwen wanneer ze in contact komen met een hete oppervlakte.

“Veel bestaande zachte robots vereisen een verbinding met externe energielevering en controlesystemen of zijn beperkt door de hoeveelheid kracht die ze kunnen uitoefenen. Deze actieve scharnieren zijn nuttig omdat ze zachte robots in staat stellen om te functioneren in omgevingen waarin verbindingen onpraktisch zijn en om objecten te tillen die vele malen zwaarder zijn dan de scharnieren”, zei McMahan.

Dit onderzoek dat werd uitgevoerd, richtte zich uitsluitend op temperatuurresponsen. In de toekomst zullen de vloeibare kristal-elastomeren verder worden bestudeerd, omdat ze ook kunnen reageren op licht, pH, vochtigheid en andere externe stimuli.

“Dit werk toont aan hoe de combinatie van responsieve polymeren in een geëngineerde composiet kan leiden tot materialen met zelf-activering in reactie op verschillende stimuli. In de toekomst kunnen dergelijke materialen worden geprogrammeerd om steeds complexere taken uit te voeren, waardoor de grenzen tussen materialen en robots vervagen”, zei Chiara Daraio, Professor of Mechanical Engineering and Applied Physics aan Caltech en co-hoofdauteur van de studie.

Het onderzoek omvatte co-auteurs Emily C. Davidson, Jalilah M. Muhammad en Robert D. Weeks. Het werk werd ondersteund door het Army Research Office, Harvard Materials Research Science and Engineering Center via de National Science Foundation en de NASA Space Technology Research Fellowship.