14/03/2023
Door Ad Spijkers
Een nieuwe ontwikkeling in softbotics kan een transformerende impact hebben op robotica, elektronica en geneeskunde.
Ingenieurs werken er al langer aan om robots in het dagelijks leven te integreren in de hoop de mobiliteit, gezondheid en het welzijn te verbeteren. Patiënten kunnen op een dag bijvoorbeeld thuis herstellen van een operatie dankzij een draagbaar robotbewakingshulpmiddel. Om robots naadloos te integreren, moeten ze met mensen kunnen meebewegen, schade kunnen weerstaan en elektrische functionaliteit hebben zonder ingesloten te zijn in een harde structuur.
Nieuw materiaal
Onderzoekers aan de Carnegie Mellon University in Pittsburgh hebben een zacht materiaal met metaalachtige geleidbaarheid en zelfherstellende eigenschappen ontwikkeld dat apparaten kan ondersteunen die veel energie verbruiken. Het nieuwe materiaal is een met vloeibaar metaal gevulde organogel-composiet met een hoge elektrische geleidbaarheid, lage stijfheid, hoge rekbaarheid en zelfherstellende eigenschappen. Dit materiaal vormt de basis om softbotics tot leven te brengen.
De onderzoekers introduceerden het materiaal in drie toepassingen:
- een schadebestendige, op een slak geïnspireerde robot
- een modulair circuit voor het aandrijven van een speelgoedauto
- een herconfigureerbare bio-elektrode voor het meten van spieractiviteit op verschillende plaatsen van het lichaam.
Slakkenrobot
De autonome slakkenrobot gebruikte het zelfherstellende geleidende materiaal op zijn zachte buitenkant, die was ingebed met een batterij en een elektromotor om de beweging te regelen. Tijdens de demonstratie sneden de onderzoekers het geleidende materiaal door en zagen hoe de snelheid met meer dan 50% daalde. Toen het materiaal handmatig opnieuw werd aangesloten, herstelde de robot dankzij zijn zelfherstellende eigenschappen zijn elektrische verbinding en herstelde hij 68% van zijn oorspronkelijke snelheid.
Volgens de onderzoekers is dit het eerste zachte materiaal dat een voldoende hoge elektrische geleidbaarheid kan behouden om digitale elektronica en energieverslindende apparaten te ondersteunen. Ze hebben aangetoond dat ze er daadwerkelijk motoren mee kunnen aandrijven.
Circuits
Het materiaal kan ook fungeren als een modulaire bouwsteen voor herconfigureerbare circuits. In de praktijk zullen er situaties zijn waarin technici de gelachtige elektronica in verschillende configuraties willen hergebruiken en recyclen. De demonstratie met de speelgoedautolaat laatzien dat dit mogelijk is.
Aanvankelijk verbond een stuk gel de speelgoedauto met een motor. Toen het team die gel in drie delen splitste en één deel aan een op het dak gemonteerde LED verbond, konden ze de verbinding van de auto met de motor herstellen met behulp van de twee overgebleven delen.
Bio-elektrode
Ten slotte demonstreerden de onderzoekers het vermogen van het materiaal om opnieuw te worden geconfigureerd om elektromyografie (EMG) metingen te verkrijgen van verschillende locaties op het lichaam. Door het modulaire ontwerp kan de organogel opnieuw worden aangebracht om de handactiviteit op de voorste spieren van de onderarm en de achterkant van het been te meten om de kuitactiviteit te meten. Dit opent deuren naar weefsel-elektronische interfaces zoals EMG's en ECG's met behulp van zachte, herbruikbare materialen.
In plaats van te worden aangesloten met biomonitoring-elektroden die een patiënt verbinden met biomeethardware die op een wagentje is gemonteerd, kan de gel worden gebruikt als een bio-elektrode die rechtstreeks in verbinding staat met op het lichaam gemonteerde elektronica die informatie kan verzamelen en draadloos kan verzenden.
Toekomst
In de toekomst hopen de onderzoekers hun werk aan kunstmatig zenuwweefsel te koppelen aan onderzoek naar kunstmatige spieren om robots te bouwen die volledig zijn gemaakt van zachte, gelachtige materialen. Het zou interessant zijn om zachte robots te zien die worden gebruikt voor het bewaken van moeilijk bereikbare plaatsen – of dat nu een slak is die de waterkwaliteit kan controleren, of een naaktslak die door huizen kan kruipen op zoek naar schimmel.
Foto: Carnegie Mellon University College of Engineering