Synthetisch materiaal laat zachte robots groeien als planten

Een team van wetenschappers en ingenieurs aan de University of Minnesota heeft een door planten geïnspireerd extrusieproces ontwikkeld dat synthetische materiaalgroei mogelijk maakt, waardoor zachte robots kunnen groeien als planten. De methode is innovatief en nieuw, en de resulterende robots kunnen smalle ruimtes, complexe terreinen en zelfs gebieden binnen het menselijk lichaam navigeren.

Het onderzoek, dat werd gefinancierd door de National Science Foundation, werd gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Robots die “groeien” terwijl ze bewegen

Chris Ellison is een van de hoofdauteurs van het artikel en een professor in de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschap van de University of Minnesota Twin Cities.

“Dit is de eerste keer dat deze concepten fundamenteel zijn aangetoond”, zei Ellison. “Het ontwikkelen van nieuwe productiemethoden is van cruciaal belang voor de concurrentiekracht van ons land en voor het naar mensen brengen van nieuwe producten. Aan de robotzijde worden robots steeds vaker gebruikt in gevaarlijke, afgelegen omgevingen, en dit zijn de soorten gebieden waar dit onderzoek een impact kan hebben.”

Zachte robots zijn robots gemaakt van zachte en buigzame materialen in plaats van rigide materialen, en deze nieuwe soorten zachte groeirobots kunnen nieuw materiaal genereren en “groeien” terwijl ze bewegen. Ze kunnen worden toegepast in een verscheidenheid aan toepassingen en zijn vooral nuttig voor het navigeren van afgelegen gebieden die mensen niet kunnen bereiken. Reële toepassingen kunnen inspecties of het installeren van ondergrondse buizen omvatten, of het navigeren binnen het menselijk lichaam.

De zachte groeirobots waar we momenteel toegang toe hebben, laten een spoor van vast materiaal achter zich, en ze gebruiken hitte en/of druk om het materiaal om te zetten in een meer permanente structuur. De onderzoekers vergelijken dit met een 3D-printer, die wordt gevoed met vast filament om een gevormd product te produceren. Ondanks dit wordt het zachte materiaal lastig te hanteren wanneer de robot een bocht moet maken, wat betekent dat het moeilijk is voor de robots om bepaalde obstakels te navigeren.

Ontwikkeling van nieuwe extrusiemethoden

Om dit probleem aan te pakken, ontwikkelde het team een nieuwe extrusiemethode. Het nieuwe proces omvat het duwen van materiaal door een opening om een specifieke vorm te creëren, en het maakt het mogelijk voor de robot om zijn synthetische materiaal te creëren uit vloeistoffen in plaats van vaste stoffen.

Matthew Hausladen is de eerste auteur van het artikel en een PhD-student in de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschap van de University of Minnesota Twin Cities.

“We werden echt geïnspireerd door hoe planten en schimmels groeien”, zei Hausladen. “We namen het idee dat planten en schimmels materiaal toevoegen aan het einde van hun lichamen, of aan de uiteinden van hun wortels of aan hun nieuwe scheuten, en we vertaalden dat naar een ingenieurssysteem.”

De onderzoekers wilden het proces van planten imiteren die water gebruiken om de bouwstenen te transporteren die worden omgezet in vaste wortels terwijl de plant naar buiten groeit. Om dit te bereiken met synthetisch materiaal, vertrouwden de onderzoekers op een techniek genaamd fotopolymerisatie, die licht gebruikt om vloeibare monomeren om te zetten in een vast materiaal. De zachte robot kan deze technologie gebruiken om gemakkelijker obstakels en bochten te navigeren zonder de noodzaak om vast materiaal te slepen.

Mogelijke reële toepassingen

Het team zegt dat het nieuwe proces ook in de productie kan worden toegepast, vooral waar warmte, druk en machines voor het maken en vormen van materialen mogelijk niet langer nodig zouden zijn.

“Een heel belangrijk deel van dit project is dat we materiaalwetenschappers, chemische ingenieurs en robotingenieurs allemaal betrokken hebben”, vervolgde Ellison. “Door al onze verschillende expertise samen te brengen, brachten we echt iets unieks naar dit project, en ik ben ervan overtuigd dat geen van ons dit alleen had kunnen doen. Dit is een geweldig voorbeeld van hoe samenwerking wetenschappers in staat stelt om echt moeilijke fundamentele problemen aan te pakken en tegelijkertijd een technologische impact te hebben.”

Het team van onderzoekers omvat ook onderzoekers van de University of Minnesota afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschap Boran Zhao (postdoctoraal onderzoeker) en Lorraine Francis (College of Science and Engineering Distinguished Professor); en onderzoekers van de University of Minnesota afdeling Mechanische Ingenieurswetenschap Tim Kowalewski (associate professor) en Matthew Kubala (graduate student).