Ingenieurs ontwikkelen elektronica-vrije robot die watercondities kan monitoren

Een team van ingenieurs aan de Duke University heeft een nieuwe elektronica-vrije, zachte robot ontwikkeld die een belangrijke rol kan spelen bij het monitoren van milieuccondities in de toekomst. De robot heeft de vorm van een libel en kan over water glijden terwijl hij reageert op milieuccondities zoals pH, temperatuur en de aanwezigheid van olie.

De nieuwe proof-of-principle-demonstratie werd gedetailleerd in het tijdschrift Advanced Intelligent Systems op 25 maart. 

Zachte robots blijven vooruitgang boeken en verbeteren, en ze worden belangrijker vanwege hun veelzijdigheid. Ze zijn in staat om delicate objecten zoals biologische weefsels te hanteren, en ze kunnen in smallere ruimtes passen in vergelijking met andere starre robots. 

Shyni Varghee, de persoon die verantwoordelijk is voor het idee, is professor in bio-medische techniek, mechanische techniek en materiaalkunde, en orthopedische chirurgie aan Duke.

Vardham Kumas is een PhD-student in Varghese’s lab en de eerste auteur van het artikel. 

“Ik kreeg een e-mail van Shyni vanaf het vliegveld waarin ze een idee had voor een zachte robot die een zelfhelend hydrogel gebruikt dat haar groep in het verleden had uitgevonden om te reageren en autonoom te bewegen,” zei Kumar. “Maar dat was de omvang van de e-mail, en ik hoorde niets meer van haar voor dagen. Dus het idee zat een tijdje in de lucht totdat ik genoeg vrije tijd had om het te onderzoeken, en Shyni zei dat ik het moest doen.”

Zelfhelend hydrogel

In 2012 ontwikkelde Varghese’s lab een zelfhelend hydrogel dat in staat was om te reageren op veranderingen in pH in slechts enkele seconden. Een verandering in zuurheid zorgt ervoor dat nieuwe bindingen worden gevormd op het hydrogel, en dit kan worden omgekeerd wanneer de pH terugkeert naar het oorspronkelijke niveau.

Onderdeel van Varghese’s nieuwe idee was om het hydrogel te gebruiken op een zachte robot om het mogelijk te maken om over water te reizen en pH-veranderingen in verschillende plaatsen te detecteren. Ze zocht een manier voor het lab om dit type robot te creëren dat als een autonome milieusensor fungeert.

Samen met Ung Hyun Ko, een postdoctorale fellow in Varghese’s lab, ontwierp Kumar een zachte robot op basis van een vlieg. Na verschillende pogingen besloot het team de vorm van een libel te kiezen, en het werd ontworpen met een netwerk van interne microkanalen dat het mogelijk maakt om het te controleren met luchtdruk.

Het lichaam van de zachte robot is ongeveer 2,25 inch lang, en de spanwijdte is 1,4 inch. Het werd gemaakt door silicium in een aluminium mal te gieten voordat het werd gebakken. Zachte lithografie werd gebruikt om interne kanalen te creëren die waren verbonden met siliciumbuis.

https://www.youtube.com/watch?v=bTjZQMvagJ8&t=2s

DraBot

De resulterende zachte robot werd DraBot genoemd. 

“Het was moeilijk om DraBot te laten reageren op luchtdrukontrol over lange afstanden met alleen zelfactuatoren zonder enige elektronica,” zei Ko. “Dat was zeker het moeilijkste deel.”

DraBot controleert de luchtdruk die zijn vleugels binnenkomt, en microkanalen voeren de lucht naar de voorste vleugels. Het ontsnapt dan door gaten die rechtstreeks in de achterste vleugels zijn gericht. DraBot zal niet bewegen als de luchtstroom wordt geblokkeerd door beide achterste vleugels naar beneden. Echter, als beide vleugels omhoog zijn, beweegt het zich naar voren. 

Het team ontwikkelde ook ballonactuatoren om meer controle te hebben, en deze zijn geplaatst onder elk van de achterste vleugels bij het lichaam van de robot. Wanneer deze worden opgeblazen, krult de vleugel omhoog, en de onderzoekers kunnen de robot controleren door te veranderen welke vleugels omhoog of omlaag zijn.

“We waren blij toen we DraBot konden controleren, maar het is gebaseerd op levende dingen,” zei Kumar. “En levende dingen bewegen niet alleen op zichzelf, ze reageren op hun omgeving.” 

Het team gebruikte het zelfhelend hydrogel door een set van winds te schilderen, waardoor DraBot gevoelig werd voor veranderingen in de pH van het water. Als het te zuur is, fuseert de voorste vleugel van de ene kant met de achterste vleugel, waardoor de robot in een cirkel draait in plaats van recht. Nadat de pH terugkeert naar een normaal niveau, keert het hydrogel terug en scheiden de vleugels zich opnieuw, waardoor DraBot volledig kan reageren op commando’s. 

De onderzoekers voegden ook temperatuur-gevoelige materialen toe, waardoor DraBot over water kan glijden en olie kan opnemen met sponzen. De kleur van de sponzen verandert afhankelijk van de kleur van de olie, en wanneer het water te warm is, verandert de kleur van de vleugels van de robot ook. 

De nieuwe ontwikkelingen kunnen helpen om milieuproblemen in de toekomst te bestrijden. Bijvoorbeeld, een dergelijke robot kan verse waterverzuring detecteren, die geologisch gevoelige gebieden beïnvloedt. Het kan ook helpen om olielekken vroeg te detecteren of vroeg tekenen van rode getij en koraalbleking te detecteren.