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 voorziet van een circulatiesysteem. Dit systeem bootst de biologie van dieren in de natuur na.

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

Lijkmachines

Rob Shepherd is associate professor 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 het menselijk hart en de slagaders waaruit het bloed wordt geleverd,” zei Shepherd. “We hebben robotbloed dat we hebben gepubliceerd vanuit onze groep, en nu hebben we robot-harten. De combinatie van de twee zal meer levende machines maken.”

Het Organic Robotics Lab onder leiding van Shepherd gebruikte eerder zachte materiaalcomposieten om een breed scala aan technologieën te ontwerpen, zoals een rekbaar sensor-“huid” en verbrandingsgestuurde braille-schermen en kleding die atletische prestaties bewaakt. 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.

Het creëren van het circulatiesysteem

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

De nieuw ontwikkelde elastomere pomp bestaat uit een zachte siliconenbuis die is uitgerust met spoelen van draad die solenoïden worden genoemd. 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 wordt blootgesteld aan een magnetisch veld. 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 laagviskeuze oliën 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 zo hoog zijn als 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 te demonstreren 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 dachten dat het belangrijk was om schaalrelaties te hebben voor alle verschillende parameters van de pomp, zodat we, wanneer we iets nieuws ontwerpen, met verschillende buisdiameters en verschillende lengtes, weten hoe we de pomp moeten afstemmen op de prestaties die we willen,” zei Shepherd.