26/08/2022
Door Ad Spijkers
Lopen zorgt voor druk op pneumatische actuatoren die mensen met een handicap kunnen helpen.
Iedereen kan wel eens een derde arm gebruiken, maar voor sommigen zou het bijzonder nuttig zijn. Volgens de statistieken zijn er in de Verenigde Staten ongeveer 25 miljoen volwassenen die het moeilijk vinden om 5 kg met hun armen op te tillen. Dat is een massa iets we vaak tegenkomen in ons dagelijks leven, huishoudelijke voorwerpen of zelfs een baby.
Mechanisch ingenieurs aan Rice University in Houston hebben een door perslucht aangedreven extra ledemaat gebouwd dat objecten kan vastpakken en loslaten. Het is een van de vele ideeën die ze hebben geïmplementeerd met een op textiel gebaseerd energieopwekkingssysteem. De 'proof of principle' robotapparaten zijn gericht op mensen met een handicap en zijn volgens de onderzoekers sterk genoeg voor dagelijks gebruik.
Prototype
Het prototype van de 'arm' is een stuk stof dat rond het lichaam zit wanneer het niet in gebruik is, maar naar buiten strekt wanneer het wordt geactiveerd. De stof bevat een elastomeer voering op het oppervlak om grip op gladde voorwerpen te behouden. Voor demonstraties wordt de arm bediend met een schakelaar. Toekomstige versies kunnen sensoren bevatten die anticiperen op de intentie van de drager en de beweging voltooien.
Behalve de gekrulde 'arm' die een kopje of andere kleine voorwerpen kan vastpakken terwijl de drager de handen vol heeft, maakte het team ontwikkelaars een shirt met een balgachtige actuator bevestigd aan de oksel. Als deze kan de drager een object van een kleine 5 kg oppakken. Het testen van de kleding op een mannequin toonde aan dat het dit kon doen zonder hulp van menselijke spieren.
Opbouw
Het systeem vereist twee componenten: textielpompen ingebed in de zolen van wandelschoenen die perslucht opwekken en pneumatische aandrijvingen die die druk waar nodig gebruiken. De pompen zijn gevuld met polyurethaanschuim met open cellen waardoor ze na elke voetstap hun vorm herstellen. De pompen zijn klein genoeg om comfortabel te zijn. De stijfheid van het schuim is ongeveer vergelijkbaar met een typische schoenzool. De onderzoekers wilden dat de pomp voelde als iets dat je echt in je schoen zou willen hebben.
Tests toonden aan dat de apparaten het equivalent van 3 W vermogen produceren, met een rendement van meer dan 20%, Daardoor presteren ze beter dan elektromagnetische, piëzo-elektrische en tribo-elektrische strategieën voor het oogsten van energie door lopen.
Alle componenten voor een enkel apparaat kosten ongeveer twintig dollar. De onderdelen waren eenvoudig te monteren en robuust genoeg om in een wasmachine te worden gereinigd zonder prestatieverlies.
De fabricage maakt gebruik van technieken die al in de kledingindustrie worden gebruikt, zoals het snijden van textielvellen en deze met hitte en druk verlijmen. De onderzoekers denken nu na over de vertaling van het werk naar producten.
Modellering
De onderzoekers ontwikkelden behalve testeenheden ook wiskundige modellen om te voorspellen hoe goed een hulpmiddel zou presteren op basis van onder andere het gewicht en de loopsnelheid van de gebruiker. Een manier om dit verder te brengen, is door het model te gebruiken om de prestaties voor specifieke gebruikersgroepen te optimaliseren.
De onderzoekers denken ook aan apparaten zoals pneumatische actuatoren die therapeutische compressie toepassen voor zaken als diepveneuze trombose, bloedstolsels in de benen. Alles waarvoor perslucht nodig is, kan door het systeem worden aangedreven. Te denken valt aan handschoenen die mensen helpen hun handen te sluiten en hulp bij zowel de elleboog- als schoudergewrichten. Ook wordt gedacht aan apparaten die afhankelijk zijn van stijve en volumineuze voedingen die ofwel oncomfortabel zijn of moeten worden vastgemaakt aan externe infrastructuur.
Om te voorkomen dat dragers op een Michelin-mannetje gaan lijken, zouden in de toekomst gesprekken met modeconsulenten nodig kunnen zijn. De onderzoekers zijn er in geslaagd om het systeem vrij onopvallend te houden, maar dat is zeker iets om over na te denken, vooral met de actuatoren.
Foto: screenshot video Rice University