Wormen, veren en zachte robots: kleine creaturen inspireren grote sprongen

Onderzoekers van de Georgia Tech hebben onlangs een indrukwekkende prestatie gepresenteerd: een 13 centimeter lange zachte robot die zichzelf 3 meter de lucht in kan katapulteren – de hoogte van een basketbalhoop – zonder enige benen. Het ontwerp is geïnspireerd door de bescheiden nematode, een kleine rondworm dunner dan een mensenhaar die meerdere keren zijn lichaamslengte kan springen.

Door zijn lichaam in strakke knikken te persen, slaat de worm elastische energie op en geeft deze plotseling weer af, waardoor hij zichzelf de lucht in of naar achteren slingert als een acrobatische gymnast. De ingenieurs hebben deze beweging nagedaan. Hun “SoftJM”-robot is in wezen een flexibele siliconenstaaf met een stijve koolstofvezelruggengraat. Afhankelijk van hoe hij buigt, kan hij naar voren of naar achteren 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 omhoog. Een high-speedcamera toont hoe de worm zijn kop omhoog buigt en in het midden van zijn lichaam knikt om naar achteren te springen, en vervolgens recht en knikt aan de staart om naar voren te springen.

Het team van de Georgia Tech ontdekte dat deze strakke knikken – 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 rietjes of slangen nutteloos, maar een geknikte worm werkt als een geladen veer. In het laboratorium reproduceerde de zachte robot deze truc: hij “knijpt” zijn midden of staart, spant zich aan en geeft dan plotseling los in een uitbarsting (ongeveer een tiende van een milliseconde) om de lucht in te schieten.

Zachte robots in opkomst

Zachte robotica is een jong maar snel groeiend veld dat vaak hints uit de natuur neemt. In tegenstelling tot starre metalen machines zijn zachte robots gemaakt van flexibele materialen die kunnen worden samengeperst, uitgerekt en aangepast 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 gejelijfde grijpers tot draagbare “exo-pakken” en rolende wingerd-achtige robots.

Als voorbeeld creëerden onderzoekers van Yale een schildpad-geïnspireerde zachte 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 strekt zich letterlijk uit door smalle ruimtes als een plantenstengel. Deze en andere bio-geïnspireerde innovaties laten zien hoe zachte materialen nieuwe bewegingsvormen kunnen creëren.

Over het algemeen zeggen aanhangers dat zachte robots naar plaatsen 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 zachte robots hebben programmeerbare “huiden” die stijfheid of kleur veranderen om te mengen of voorwerpen te grijpen. Ingenieurs onderzoeken ook origami/kirigami-technieken, vormgeheugenpolymers en andere trucs zodat deze robots zich op de vlucht kunnen herschikken.

Flexibele beweging ontwerpen

Een zachte robot laten bewegen als een dier komt met grote uitdagingen. Zonder harde gewrichten of motoren moeten ontwerpers vertrouwen op materiaaleigenschappen en slimme geometrie. Als voorbeeld moest de springer van de Georgia Tech 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 ingenieurs opmerken, zijn traditionele elektronica stijf en zouden een zachte 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 energiebronnen is moeilijker: sommige zachte robots gebruiken externe magnetische velden of geperste lucht omdat het dragen van een zware batterij ze zou wegen.

De nematode-geïnspireerde zachte robots van de 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 loslaat. 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 dat vervolgens in één snelle sprong kon loslaten. Het resultaat is opmerkelijk: vanuit rust kan de robot 3 meter hoog springen, herhaaldelijk, door eenvoudigweg zijn ruggengraat te buigen. Deze doorbraken – manieren vinden om energie op te slaan en los te laten in rubberachtige materialen – zijn typerend voor zachte robotica-engineering.

Praktische springers en helpers

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

In de geneeskunde kunnen microscopisch kleine zachte robots medicijnen rechtstreeks in het lichaam afleveren. In een MIT-studie werd een draad-dunne zachte robot gevisualiseerd die door slagaders zou kunnen zweven en bloedstolsels zou kunnen verwijderen, mogelijk beroertes zonder openhartoperatie te behandelen. Harvard-wetenschappers werken ook aan zachte draagbare exoskeletten – een lichtgewicht opblaasbare mouw die ALS-patiënten hielp een schouder te tillen, waardoor hun bewegingsbereik onmiddellijk verbeterde.

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

Zachte robots vinden ook werk in de industrie en landbouw. De NSF merkt op dat ze veilige helpers op fabrieksvloeren of op boerderijen zouden kunnen worden, omdat ze zich aanpassen als een mens in de weg staat. Onderzoekers hebben zelfs zachte grijpers gebouwd die delicate fruit voorzichtig plukken 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 zachte robotica veel gebieden fundamenteel zal veranderen. Van wormen tot draagbare pakken tot maan-springers toont deze onderzoekslijn hoe het bestuderen van kleine creaturen grote sprongen in technologie kan opleveren.