Ingenieurs geven zachte robots een hart

Een samenwerkingsverband van onderzoekers van Cornell en het U.S. Army Research Laboratory heeft hydrodynamische en magnetische krachten gebruikt om een rubberen en vervormbare pomp aan te drijven die zachte robots van een circulatiesysteem voorziet. Dit systeem imiteert de biologie van dieren in de natuur.

Het artikel met de titel “Magnetohydrodynamische levitatie voor hoge-prestatie-flexibele pompen” werd gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Likelike Machines

Rob Shepherd is associate professor of mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de College of Engineering. Hij leidde het team van onderzoekers aan Cornell, samen met de eerste auteur Yoav Matia.

“Deze gedistribueerde zachte pompen werken veel meer zoals menselijke harten en de slagaders waaruit het bloed wordt geleverd,” zei Shepherd. “We hebben al eerder over robotbloed gesproken dat we hebben gepubliceerd vanuit onze groep, en nu hebben we robot-harten. De combinatie van de twee zal meer levende machines creëren.”

Het Organic Robotics Lab, geleid door Shepherd, gebruikte eerder zachte materiaalcomposieten om een breed scala aan technologieën te ontwerpen, zoals een rekbaar sensor-“huid” en brandstof-aangedreven braille-schermen en kleding die atletische prestaties monitort. Ze ontwikkelden ook zachte robots die kunnen lopen, kruipen, zwemmen en zweten. Volgens het team kunnen veel van deze creaties worden toegepast in de gebieden van patiëntenzorg en revalidatie.

Creating the Circulatory System

Zachte robots hebben een circulatiesysteem nodig om energie op te slaan en hun aanhangsels en bewegingen te laten functioneren, waardoor ze complexe taken kunnen uitvoeren.

De nieuw ontwikkelde elastomere pomp bestaat uit een zachte siliconenbuis die is voorzien van spoelen van draad, genaamd solenoïden. Deze solenoïden zijn gespaard rond de buitenkant van de elastomere pomp en de tussenruimtes tussen de spoelen laten de buis buigen en rekken. Binnenin de buis zit een vast kernmagneet omgeven door magnetorheologische vloeistof, die verstijft wanneer deze aan een magnetisch veld wordt blootgesteld. Dit houdt de kern in het midden en creëert een afdichting op hetzelfde moment. Door het magnetisch veld op verschillende manieren toe te passen, kan de kernmagneet heen en weer worden bewogen om vloeistoffen zoals water en lage-viscositeitsoliën met continue kracht naar voren te duwen.

Shepherd was co-hoofdauteur van het onderzoek met Nathan Lazarus van het U.S. Army Research Laboratory.

“We werken op drukken en debieten die 100 keer hoger zijn dan wat eerder in zachte pompen is gedaan,” zei Shepherd. “In vergelijking met harde pompen zijn we nog steeds ongeveer 10 keer lager in prestaties. Dus dat betekent dat we geen zeer viskeuze oliën op hoge debieten kunnen duwen.”

De onderzoekers voerden een experiment uit om aan te tonen dat het pompsysteem een continue prestatie kan behouden onder grote vervormingen. Ze volgden ook de prestatieparameters om ervoor te zorgen dat toekomstige iteraties kunnen worden aangepast aan de robot.

“We vonden het belangrijk om schaalrelaties te hebben voor alle parameters van de pomp, zodat we weten hoe we de pomp moeten afstemmen op de prestaties die we willen wanneer we iets nieuws ontwerpen met verschillende buisdiameters en verschillende lengtes,” zei Shepherd.