Worms, Springs, en Soft Robots: Kleine Creatures Inspireren Reusachtige Sprongen

Onderzoekers aan de Georgia Tech hebben onlangs een indrukwekkende prestatie onthuld: een 5-inch-lange soft robot die zichzelf 10 voet de lucht in kan katapulteren – de hoogte van een basketbalhoop – zonder enige benen. Het ontwerp is geïnspireerd door de bescheiden nematode, een kleine ronde worm dunner dan een mensenhaar die meerdere keren zijn lichaamslengte kan springen.

Door zijn lichaam in strakke knikken te pinnen, slaat de worm elastische energie op en geeft deze vervolgens plotseling vrij, waardoor hij zichzelf de lucht in of naar achteren werpt als een acrobatische gymnast. De ingenieurs hebben deze beweging nagebootst. Hun “SoftJM”-robot is in wezen een flexibele siliconenstaaf met een stijve koolstofvezelruggengraat. Afhankelijk van hoe hij buigt, kan hij voorwaarts of achterwaarts springen – zelfs zonder wielen of benen.

In actie krult de nematode-geïnspireerde robot zich op als een persoon die hurkt, en springt dan explosief recht om te springen. Een high-speedcamera toont hoe de worm zijn kop omhoog en in het midden van zijn lichaam kromt om achterwaarts te springen, en vervolgens recht en kromt aan de staart om voorwaarts te springen.

Het team van de Georgia Tech ontdekte dat deze strakke bochten – normaal gesproken een probleem in slangen of kabels – de worm en de robot eigenlijk veel meer energie laten opslaan. Zoals een onderzoeker opmerkte, zijn geknikte straws of slangen nutteloos, maar een geknikte worm werkt als een geladen veer. In het lab herhaalde de soft robot deze truc: hij “pint” zijn midden of staart, spant zich aan en geeft dan in een uitbarsting (ongeveer een tiende van een milliseconde) vrij om de lucht in te schieten.

Soft Robots in Opkomst

Soft robotics is een jong maar snel groeiend veld dat vaak hints uit de natuur neemt. In tegenstelling tot starre metalen machines zijn soft robots gemaakt van flexibele materialen die kunnen knijpen, strekken en zich aanpassen aan hun omgeving. Vroege mijlpalen in het veld omvatten Harvard’s Octobot – een autonome robot gemaakt volledig van silicone en vloeibare kanalen, zonder enkele starre onderdelen, geïnspireerd door octopus-spieren. Sindsdien hebben ingenieurs een menagerie van zachte machines gebouwd: van worm-achtige kruipers en gejellificeerde grippers tot draagbare “exo-pakken” en rolende wingerd-achtige robots.

Voorbeeld: onderzoekers van Yale creëerden een schildpad-geïnspireerde soft robot wiens benen schakelen tussen slappe flippers en stevige “landbenen”, afhankelijk van of hij zwemt of loopt. Aan de UCSB maakten wetenschappers een wingerd-achtige robot die naar licht groeit met behulp van alleen lichtgevoelige “huid” – het breidt zich letterlijk uit door smalle ruimtes als een plantenstengel. Deze en andere bio-geïnspireerde innovaties laten zien hoe zachte materialen nieuwe bewegingsmodi kunnen creëren.

Over het algemeen zeggen voorstanders dat soft robots kunnen gaan waar traditionele robots niet kunnen. De U.S. National Science Foundation merkt op dat adaptieve zachte machines “ruimtes verkennen die voorheen onbereikbaar waren voor traditionele robots” – zelfs binnen het menselijk lichaam. Sommige soft robots hebben programmeerbare “huiden” die stijfheid of kleur veranderen om te mengen of voorwerpen te grijpen. Ingenieurs onderzoeken ook origami/kirigami-technieken, shape-memory polymeren en andere trucs zodat deze robots zich op de vlucht kunnen herconfigureren.

Flexibele Beweging Engineer

Een soft robot laten bewegen als een dier komt met grote uitdagingen. Zonder harde gewrichten of motoren moeten ontwerpers vertrouwen op materiaaleigenschappen en slimme geometrie. Bijvoorbeeld, de Georgia Tech-springer moest een koolstofvezelruggengraat in zijn rubberen lichaam hebben om de veeractie krachtig genoeg te maken. Het integreren van sensoren en besturingssystemen is ook moeilijk. Zoals Penn State-engineers opmerken, zijn traditionele elektronica stijf en zouden een soft robot op zijn plaats vastzetten.

Om hun kleine kruipende reddingsrobot “slim” te maken, moesten ze flexibele circuits zorgvuldig over het lichaam verspreiden zodat het nog steeds kon buigen. Zelfs het vinden van energieleveranciers is moeilijker: sommige soft robots gebruiken externe magnetische velden of geperste lucht omdat het dragen van een zware batterij ze zou wegen.

De nematode-geïnspireerde soft robots van Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Een andere hindernis is het benutten van de juiste fysica. Het nematode-robotteam leerde dat knikken eigenlijk helpen. In een normale rubberen buis stopt een knik snel de stroom; maar in een zachte worm bouwt het langzaam interne druk op, waardoor veel meer buiging mogelijk is voordat het vrijgegeven wordt. Door te experimenteren met simulaties en zelfs watergevulde ballonmodellen, toonden de onderzoekers aan dat hun flexibele lichaam veel elastische energie kon opslaan wanneer het gebogen was, en deze vervolgens in één snelle sprong kon vrijgeven. Het resultaat is opmerkelijk: vanuit rust kan de robot 10 voet hoog springen, herhaaldelijk, door eenvoudig zijn ruggengraat te buigen. Deze doorbraken – manieren vinden om op te slaan en vrij te geven energie in rubberachtige materialen – zijn typerend voor soft robotics engineering.

Reële Springers en Helpers

Waar zijn al deze soft robots goed voor? In principe kunnen ze situaties aanpakken die te gevaarlijk of onhandig zijn voor starre machines. In rampgebieden kunnen soft bots zich onder puin of in ingestorte gebouwen wringen om overlevenden te vinden. Penn State toonde een prototype van een magnetisch gecontroleerde soft kruiper die door smalle brokstukken of zelfs door bloedvat-grote kanalen kon navigeren.

In de geneeskunde kunnen microscopisch kleine soft robots medicijnen rechtstreeks in het lichaam afleveren. In een studie van MIT werd een draad-dunne soft robot bedacht die door arteriën zou kunnen zweven en bloedstolsels zou kunnen verwijderen, mogelijk zonder openhartoperaties. Wetenschappers van Harvard werken aan soft draagbare exoskeletten – een lichtgewicht opblaasbare sleeve die ALS-patiënten hielp een schouder te tillen, waardoor hun bewegingsbereik onmiddellijk verbeterde.

Ruimte-agentschappen kijken ook naar soft springers. Wielen kunnen vast komen te zitten in zand of rotsen, maar een springende robot kan over kraters en duinen springen. NASA verbeeldt zich zelfs nieuwe springers voor de Maan en ijsmanen. In één concept, een voetbal-grote bot genaamd SPARROW zou stoomstralen (van gesmolten ijs) gebruiken om meerdere mijlen over Europa of Enceladus te springen. Op deze manen met lage zwaartekracht gaat een kleine sprong heel ver – wetenschappers merken op dat een robot-sprong van één meter op aarde hem honderd meter op Enceladus zou kunnen brengen. Het idee is dat tientallen van deze springers over vreemde terreinen zouden kunnen zwermen “met complete vrijheid om te reizen” waar wielenrobots zouden vastlopen. Terug op aarde zouden toekomstige soft springers kunnen helpen bij zoek- en reddingsmissies door over rivieren, modder of onstabiele grond te springen die conventionele robots zou tegenhouden.

Soft robots vinden ook werk in de industrie en landbouw. De NSF merkt op dat ze veilige helpers kunnen worden op fabrieksvloeren of op boerderijen, omdat ze zich aanpassen als een mens in de weg staat. Onderzoekers hebben zelfs zachte grippers gebouwd die delicate fruit voorzichtig oppakken zonder het te beschadigen. De flexibiliteit van zachte machines betekent dat ze kunnen handelen op plaatsen die te klein of flexibel zijn voor starre apparaten.

Uiteindelijk geloven deskundigen dat soft robotics veel gebieden fundamenteel zal veranderen. Van wormen tot draagbare pakken tot maan-springers, deze onderzoekslijn toont aan hoe het bestuderen van kleine creaturen grote sprongen in technologie kan opleveren.