Ingenieurs ontwikkelen kleinste ooit afstandsbedienbare wandelrobot

Een team van ingenieurs aan de Northwestern University heeft de kleinste ooit afstandsbedienbare wandelrobot ontwikkeld, die de vorm heeft van een kleine krab.

De kleine krabrobots zijn slechts een halve millimeter breed, waardoor ze kleiner zijn dan een vlo. Ze kunnen buigen, draaien, lopen, kruipen, draaien en springen. Naast de kleine krab hebben de onderzoekers ook millimetergrote robots ontwikkeld die op krekels, kevers en rupsen lijken.

Micro-grote robots bereiken

Volgens het team kunnen deze nieuwe soorten robots ons dichter brengen bij het bereiken van micro-grote robots die in nauwe, beperkte ruimtes kunnen opereren.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Science Robotics.

John A. Rogers leidde het experimentele werk. Hij is de Louis Simpson en Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering en Neurological Surgery aan de McCormick School of Engineering en de Feinberg School of Medicine van Northwestern. Hij is ook de directeur van het Querrey Simpson Institute for Bioelectronics (QSIB).

“Robotica is een spannend onderzoeksgebied, en de ontwikkeling van micro-robots is een leuk onderwerp voor academische verkenning,” zei Rogers. “Je kunt je micro-robots voorstellen als agenten om kleine structuren of machines in de industrie te repareren of te assembleren, of als chirurgische assistenten om verstopte slagaders te verwijderen, interne bloedingen te stoppen of kankerachtige tumoren te elimineren – allemaal met minimale invasieve procedures.”

Yonggang Huang leidde het theoretische werk. Hij is de Jan en Marcia Achenback Professor of Mechanical Engineering en Civil and Environmental Engineering aan McCormick en een belangrijk lid van QSIB.

“Onze technologie maakt een verscheidenheid aan gecontroleerde bewegingsmodi mogelijk en kan lopen met een gemiddelde snelheid van de helft van de lichaamslengte per seconde,” zei Huang. “Dit is zeer moeilijk te bereiken op zo kleine schaal voor terrestrische robots.”

De kleine krab bouwen

De krab hoeft niet te vertrouwen op complexe hardware, hydraulica of elektriciteit zoals veel andere robots. Het haalt zijn kracht uit de elastische veerkracht van zijn lichaam. De onderzoekers bouwden de robot door een vormgeheugenlegering te gebruiken die transformeert naar een “herinnerde” vorm wanneer deze wordt verwarmd. Om de robot snel te verwarmen, gebruikte het team een gescande laserstraal en richtte deze op verschillende locaties op het lichaam van de robot. Zodra het afkoelt, keert een dunne laag glas elastisch het corresponderende deel van de structuur terug naar zijn vervormde vorm.

Door van de ene fase naar de andere over te gaan, kan de robot locomotie creëren. Door de laser in verschillende richtingen te richten, kan het team controleren waar de robot loopt. Om van links naar rechts te bewegen, hoeft het team alleen maar van rechts naar links te scannen.

“Omdat deze structuren zo klein zijn, is de koelsnelheid zeer snel,” legde Rogers uit. “In feite maakt het verkleinen van de grootte van deze robots het mogelijk om sneller te lopen.”

Om een dergelijke kleine staat voor de robot te bereiken, fabriceerden het team eerst voorlopers van de wandelkrabstructuren in platte, planaire geometrieën. Ze bonden de voorlopers vervolgens aan een licht uitgerekt rubberen substraat. Door het substraat te ontspannen, vindt een gecontroleerd plooiproces plaats en dit zorgt ervoor dat de krab “opveert” in gedefinieerde driedimensionale vormen.

“Met deze assemblagetechnieken en materiaalconcepten kunnen we wandelrobots bouwen met bijna elke grootte of 3D-vorm,” zei Rogers. “Maar de studenten voelden zich geïnspireerd en geamuseerd door de zijdelingse kruipbewegingen van kleine krabben. Het was een creatieve whim.”