Onderzoekers ontwikkelen zachte robotische insecten met kunstmatige spieren

Onderzoekers aan de EPFL’s School of Engineering hebben een type zachte robotische insecten ontwikkeld met kunstmatige spieren, die met 3 cm per seconde kunnen worden voortgestuwd.

De recente vooruitgang in zowel kunstmatige intelligentie (AI) als robotica brengt ons dichter bij een wereld die niet had kunnen worden voorspeld. Het is een wereld die dergelijke dingen bevat als zwermen van robotische insecten.

Er waren twee verschillende versies van de zachte robotische insecten, genaamd DEAnsect, ontwikkeld door het team. De eerste was verbonden met ultra-dunne draden en is extreem robuust. Het kan worden gevouwen en kan zelfs blijven bewegen nadat het is geraakt door een vliegenmepper of vermorzeld door een schoen.

Het tweede model dat door de onderzoekers is ontwikkeld, is een ontkoppelde versie. Het is volledig draadloos en autonoom en weegt minder dan 1 gram, zelfs als het een batterij en alle elektronische componenten op zijn rug draagt. Voor de hersenen van de intelligente robotische insecten is er een microcontroller en zijn de ogen fotodiodes. Dit stelt het in staat om zwarte en witte patronen te herkennen en kan de DEAnsect elke lijn volgen die op de grond is getekend.

De DEAnsect was het resultaat van werk dat werd gedaan door een team bij de Soft Transducers Laboratory (LMTS) van de EPFL. Zij werkten samen met de Integrated Actuators Laboratory (LAI) en collega’s van de Universiteit van Cergy-Pontoise, Frankrijk. Het onderzoek werd onlangs gepubliceerd in Science Robotics.

De DEAnsect heeft dielectrische elastomeeractuatoren, of DEA’s. Dit is een type kunstmatige spier dat zo dun is als mensenhaar en de insecten vooruit stuwt door trillingen. De DEA’s zijn wat de zachte robotische insecten zo licht en in staat maken om snel te bewegen. De DEA’s helpen de zachte robotische insecten ook om verschillende omgevingen te manoeuvreren, waaronder golfsurfaced oppervlakken.

De kunstmatige spieren bevatten een elastomeer membraan dat tussen twee zachte elektroden is geplaatst. Wanneer een spanning wordt toegepast, worden de elektroden aan elkaar bevestigd en het membraan wordt samengeperst. Het membraan keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de spanning weer wordt uitgeschakeld.

Elk van de drie poten van de zachte robotische insecten heeft die spieren aangebracht. De beweging wordt gegenereerd door de spanning aan en uit te zetten, maar dit moet heel snel gebeuren. Het werkelijke tarief is 400 keer per seconde om de zachte robotische insecten vooruit te stuwen.

Het onderzoeksteam maakte gebruik van nanofabricagetechnieken om de kunstmatige spieren te laten werken bij lagere spanningen. Specifiek verlaagden ze de dikte van het elastomeer membraan. Zij ontwikkelden ook zachte, hoogconductieve elektroden die slechts enkele moleculen dik zijn. Door deze ontwerpkeuze konden de onderzoekers de grootte van de voedingseenheid aanzienlijk verkleinen.

Herbert Shea is de directeur van LMTS.

“DEA’s werken meestal bij enkele kilovolt, wat een grote voedingseenheid vereist”, legt Shea uit. “Ons ontwerp stelde de robot, die zelf slechts 0,2 gram weegt, in staat om alles wat hij nodig heeft op zijn rug te dragen. Deze techniek biedt nieuwe mogelijkheden voor het brede gebruik van DEA’s in robotica, voor zwermen van intelligente robotische insecten, voor inspectie of afstandsreparaties, of zelfs voor het verkrijgen van een dieper inzicht in insectenkolonies door een robot te sturen om onder hen te leven.”

“We werken momenteel aan een ontkoppelde en geheel zachte versie met Stanford University”, zegt Shea. “Op lange termijn plannen we om nieuwe sensoren en emitters aan de insecten toe te voegen, zodat ze rechtstreeks met elkaar kunnen communiceren.”