Ingenieurs ontwikkelen elektronica-vrije robot die watercondities kan bewaken

Een team van ingenieurs aan de Duke University heeft een nieuwe elektronica-vrije, zachte robot ontwikkeld die een belangrijke rol kan spelen bij het bewaken 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 steeds belangrijker vanwege hun veelzijdigheid. Ze zijn in staat om delicate objecten zoals biologische weefsels te behandelen, en ze kunnen in smaller 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 de Duke University.

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

“Ik kreeg een e-mail van Shyni vanuit het vliegveld waarin ze zei dat 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 het einde van de e-mail, en ik hoorde niets meer van haar voor dagen. Dus het idee bleef een tijdje in de lucht totdat ik genoeg vrije tijd had om het te onderzoeken, en Shyni zei dat ik ervoor moest gaan.”

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 zuurgraad zorgt ervoor dat nieuwe bindingen worden gevormd in 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 veranderingen in pH te detecteren op verschillende plaatsen. Ze zocht naar een manier om het lab te laten komen met dit type robot 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 om de vorm van een libel te kiezen, en het werd ontworpen met een netwerk van interne microkanalen dat het mogelijk maakt om te worden gecontroleerd door luchtdruk.

Het lichaam van de zachte robot is ongeveer 5,7 cm lang, en de spanwijdte is 3,6 cm. 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 werden 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 in zijn vleugels komt, 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 vooruit.

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

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

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

De onderzoekers voegden ook temperatuurgevoelige materialen toe, waardoor DraBot over water kan glijden en olie kan opnemen met sponsen. 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 zuurgraad detecteren, die verschillende geologisch gevoelige gebieden beïnvloedt. Het kan ook helpen om olielekken vroeg te detecteren of vroeg tekenen van rode getij en koraalbleking te detecteren.