01/03/2022
Door Ad Spijkers
Nieuwe studie daagt de conventionele benadering uit voor het ontwerpen van zachte robotica en metamaterialen.
Onderzoekers van de University of Illinois in Urbana-Champaign (200 km westelijk van Indianapolis) en de Danmarks Tekniske Universitet in Kongens Lyngby (bij Kopenhagen) hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor het ontwerpen van zachte robotica en een klasse materialen die metamaterialen worden genoemd. Ze maken daarbij gebruik van de kracht van computeralgoritmen. De onderzoekers in Illinois kunnen nu constructies van meerdere materialen bouwen zonder afhankelijk te zijn van menselijke intuïtie of trial-and-error. Ze kunnen hiermee efficiënte actuatoren en energieabsorbers produceren die ontwerpen in de natuur nabootsen.
Topologie-optimalisatie
De studie maakt gebruik van optimalisatietheorie en een op algoritmen gebaseerd ontwerpproces dat topologie-optimalisatie wordt genoemd, ook bekend als digitale synthese. Volgens deze methode bouwt het ontwerpproces samengestelde structuren op die nauwkeurig complexe voorgeschreven mechanische reacties kunnen bereiken.
De complexe mechanische reacties die nodig zijn in zachte robotica en metamaterialen vereisen het gebruik van meerdere materialen. Maar het bouwen van dit soort structuren kan een uitdaging zijn. Er zijn veel materialen om uit te kiezen. Het bepalen van de optimale combinatie van materialen voor een specifieke functie levert een overweldigende hoeveelheid gegevens op voor een onderzoeker om te verwerken.
Het onderzoeksteam in Illinois (foto) richtte zijn pijlen op het ontwerpen van structuren op macroschaal met de voorgeschreven eigenschappen van snelle verstijving, grootschalige vervorming door knikken, meerfasige stabiliteit en langdurige krachtplateaus. Het nieuwe digitale syntheseproces genereerde structuren met optimale geometrische kenmerken, samengesteld uit de optimale materialen voor de voorgeschreven functies.
Modelapparaten
De onderzoekers eindigden met modelapparaten gemaakt van twee verschillende polydimethylsiloxanen (PDMS), elastomeren met een basisgeometrie die veel lijkt op de poten van een kikker - of een familie van drie kikkers. Deze hebben elk verschillende geometrieën die de twee PDMS-elastomeren in verschillende arrangementen gebruiken die werken zoals biologische spieren en botten.
Volgens de onderzoekers is het vrij opmerkelijk dat wat ze hebben gevonden, goed aansluit bij wat biologie en de evolutie van nature creëren. Als ze het algoritme bijvoorbeeld vroegen om een apparaat te ontwikkelen met snellere verstijvingsreacties, zou het reageren met grotere 'spieren' op de mechanische kikkers, net zoals dat in de natuur zou kunnen gebeuren.
De overkoepelende sterke punten van het werk te vinden zijn in de duurzaamheidskenmerken. De wetenschappers hebben herbruikbare en volledig herwinbare energiedissipators ontworpen, die aansluiten bij de huidige vraag naar duurzame apparaten die goed zijn voor het milieu. Dit zijn geen apparaten voor eenmalig gebruiken; ze zijn ontworpen met puur elastische materialen, waardoor ze vele malen te zijn hergebruiken.
Volgens de onderzoekers zal hun digitale synthesetechniek het scala aan programmeerbare metamaterialen vergroten. Deze zullen complexe, voorheen onmogelijke mechanische reacties aankunnen, met name op het gebied van zachte robotica en biomedische apparaten.
Foto: L. Brian Stauffer