Wetenschappers creëren lichte robots geïnspireerd door spinnen gewrichten

Wetenschappers aan het Max Planck Instituut voor Intelligent Systems in Duitsland en aan de Universiteit van Colorado Boulder in de Verenigde Staten hebben nieuwe lichte robots ontwikkeld door de principes van spinnengewrichten te gebruiken.

Het onderzoek met de titel “Spider-inspired electrohydraulic actuators for fast, soft-actuated joints” is gepubliceerd in Advanced Science. 

Spinnen dienen vaak als inspiratie op het gebied van robotica, vooral omdat ze hun ledematen verplaatsen door hydraulische actueringsmechanismen wanneer ze op prooi jagen, wat wetenschappers proberen te implementeren in robots.

Door het gebruik van deze principes konden de wetenschappers de gearticuleerde robots aandrijven zonder enkele omvangrijke componenten en connectors, wat helpt om ze niet te zwaar te maken en de draagbaarheid en snelheid te vergroten. 

Vanwege de lichte, eenvoudige structuren die bij de constructie worden gebruikt, kan de robot 10 keer zijn eigen hoogte springen.

https://www.youtube.com/watch?v=XtZSv7ZcoxY

SES Gewrichten

De wetenschappers vertrouwden op Spider-inspired Electrohydraulic Soft-actuated gewrichten, of SES-gewrichten, om hoge prestaties in de robots te bereiken. De gewrichten kunnen op verschillende manieren worden geconfigureerd, zelfs buiten een arachno-bot.

Het onderzoeksartikel beschrijft een tweerichtingsgewricht, een meerdere segmenten tellend kunstmatig ledemaat en een drievingerige grijper, die kan worden gebruikt om objecten te grijpen en op te tillen. Alle creaties hebben vergelijkbare kenmerken. Ze zijn licht, eenvoudig en vertonen hoge prestaties, wat ze nuttig maakt voor robot-systemen die snelle bewegingen vereisen en interactie hebben met verschillende omgevingen. 

De SES-gewrichten waren gebaseerd op de HASEL-technologie die eerder door het team was uitgevonden om kunstmatige spieren te bouwen. De SES-gewrichten imiteren een exoskeletmechanisme dat zowel rigide als zachtere elementen heeft, vergelijkbaar met de manier waarop een spin zijn poten uitstrekt door hydraulische krachten.

Ontwikkeling van de Spider-geïnspireerde Robots

De wetenschappers creëerden eerst een flexibele zak van dunne plastic films, die werden gevuld met een vloeibare dielektrische stof. Elektroden werden aan elke kant van de zak geplaatst en de zakken fungeerden als actuatoren, met de hydraulische kracht gegenereerd door electrostatische krachten. 

De zak is verbonden met een roterend gewricht en wanneer een hoge spanning tussen de elektroden wordt toegepast, verschuift de vloeibare dielektrische stof in de zak en buigt het gewricht. SES-gewrichten kunnen tot 70 graden roteren, wat leidt tot hoge koppels, en ze kunnen gemakkelijk terugkeren naar de startpositie. 

Christoph Keplinger is directeur van de afdeling Robotic Materials van het Max Planck Instituut voor Intelligent Systems. 

“De SES-gewrichten zijn zeer eenvoudig en licht, omdat er geen perifere componenten zijn die de robot zwaar maken,” zegt Keplinger. “Veel toepassingen voor zachte robots vereisen veelzijdige actuatoren. Deze spider-geïnspireerde gewrichten bieden hoge functionaliteit en verbruiken weinig energie, ze zijn eenvoudig en goedkoop te maken – de plastics die we gebruiken zijn voor voedselverpakkingen – en hun productie is gemakkelijk schaalbaar. Dit zijn allemaal eigenschappen die essentieel zijn voor het ontwerp van robots die op veel verschillende manieren kunnen bewegen en een verscheidenheid aan objecten kunnen manipuleren zonder ze te breken.”

De wetenschappers demonstreerden de veelzijdigheid van de SES-gewrichten door de toepassing van een drievingerige grijper. Als de grijper afhankelijk was van een spier-achtige structuur, zou deze worden geblokkeerd wanneer deze probeerde een object te grijpen. Maar met de SES-gewrichten als scharnieren is veel minder ruimte nodig. 

Nicholas Kellaris is de eerste auteur van het artikel.

“Het onderzoek springt eruit omdat we een breed scala aan materialen kunnen gebruiken, zelfs de plastic die wordt gebruikt om chipszakken te maken om de zakken te creëren,” zegt Kellaris. “Dat betekent dat we SES kunnen implementeren in een breed scala aan geometrieën met specifiek afgestemde actueringskenmerken.” 

Phillip Rothemund is de tweede auteur van de publicatie.

“Het uiteindelijke doel van ons onderzoek was niet om een spider-robot te maken,” voegt Rothemund toe. “We wilden een state-of-the-art, actief gewricht ontwikkelen dat je in elk type robot kunt plaatsen.”