30/10/2024
Door Ad Spijkers
Oogstrobots, onderzeese grijpers en autonome verkenners kunnen in de toekomst universeler en onafhankelijker worden gebruikt op verre planeten.
Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden leren deze componenten en robots hoe ze moeten voelen. Ze werken aan verschillende projecten samen met partners uit de industrie en onderzoek naar kunstmatige grijpers gemodelleerd naar de natuur. De combinatie van 3D en dispenserprinten met andere technologieën helpt. Maar ook vissen spelen een belangrijke rol.
Kijken naar de natuur
Het concept is, dat flexibele grijpers uit de 3D-printer met sensoren detecteren hoe stevig ze kunnen vastgrijpen zonder iets te beschadigen. Technische systemen zoals robots en andere machines moeten leren 'gevoelig' vast te pakken op een manier die vergelijkbaar is met die van een menselijke hand. Toekomstige mogelijke toepassingen zijn onder meer oogstrobots die aardbeien plukken zonder ze te knijpen, of autonome rovers die onbekende monsters veilig kunnen terugvinden.
In door de Duitse overheid gefinancierde projecten als BioGrip of Nature4Nature halen onderzoekers inspiratie uit de natuur om problemen op te lossen. Daarbij proberen ze het onderliggende biologische principe te begrijpen, technologisch te imiteren en verder te ontwikkelen. Deze aanpak wordt 'bionica' of 'biologisering genoemd. De technologische vooruitgang op het gebied van additieve productie maakt het mogelijk om veel meer biologische concepten aan te passen dan voorheen.
De natuur zit vol oplossingen. Als ingenieurs vastlopen, is het altijd de moeite waard om naar concepten te kijken. Maar bio-innovatieprocessen duren vaak meerdere jaren en vergen veel ondersteuning en interdisciplinaire samenwerking. Het doel van de onderzoekers is om een nieuwe generatie bionica-experts op te leiden die beschikken over een sterk netwerk en ervaring met complete innovatieprocessen.«
Vin omsluit object
In dit onderzoek maken de projectpartners gebruik van het vermogen van de vinnen van bepaalde vissen om niet met een ontwijkende beweging op druk te reageren, maar met een tegenbeweging, dat wil zeggen de aanvallende kracht in te sluiten (Finray-effect). Vissen gebruiken dit om gemakkelijker te kunnen bewegen. Om dit effect te gebruiken, printen ze grijpers die zijn voorzien van sensoren die dankzij de Finray-technologie voorzichtig objecten kunnen vastpakken.
Om dit te doen, creëerden de onderzoekers eerst een basisgrijperstructuur – vergelijkbaar met het vinskelet van vissen – gemaakt van flexibel polyurethaan. Er werd gebruik gemaakt van een 3D-printer die werkt volgens het additieve principe 'Fused Filament Fabrication' (FFF). Dergelijke apparaten smelten kunststofdraad van de rol en genereren vervolgens laag voor laag de gewenste structuur uit de smelt – met een computermodel als sjabloon.
Dispersieprinter
Een dispenserprinter met canules brengt vervolgens fijne structuren van zilverpasta aan op het oppervlak van de grijper. De op deze manier gegenereerde patronen worden vervolgens gefunctionaliseerd met behulp van infraroodstraling. Deze functionele structuren omvatten bijvoorbeeld een meanderpatroon gemaakt van 250 µm smalle geleidersporen. Als de individuele vinger buigt of uitrekt, verandert de elektrische weerstand van de meander. Dit betekent dat de kromming van de grijper op elk moment kan worden bepaald.
De printer genereert ook dunne lagen zilver en isolatoren op elkaar op de grijpvingers, waardoor een platte condensator ontstaat. Als de twee zilverniveaus door een externe kracht tegen elkaar worden gedrukt, verandert de capaciteit van de condensator. Hiermee is de kracht te bepalen die op de grijper inwerkt.
De dispenserprinter kan ook aanraakgevoelige en andere oppervlaktesensoren produceren. Gecombineerd met microsystemen in de geïntegreerde besturings- en evaluatie-elektronica kunnen allerlei andere functies van de menselijke hand worden gesimuleerd. Het zou bijvoorbeeld denkbaar zijn om het gewicht ervan te schatten door het vast te pakken voorwerp zachtjes te schudden. Door de combinatie van verschillende additieve printprocessen en andere technologieën ontstaan autonome grijpers die kunnen 'voelen' wat ze vastgrijpen.
Bionische grijpers
De belangstelling vanuit de industrie en het onderzoek groeit. Er wordt onder meer gesproken over het verzamelen van monsters met onvoorspelbare vormen op Mars. Voedingsmiddelenbedrijven zouden aangepaste robots kunnen gebruiken om appels of ander fruit voorzichtig te sorteren en te verpakken. Biologen zouden 'tactiele grijpers' kunnen gebruiken om kleine zee-egels, zeekomkommers en andere oceaandieren te verzamelen zonder ze te verwonden. Er zullen waarschijnlijk nog meer toepassingsscenario's volgen.
Foto: Christoph Wilsnack / Fraunhofer IWS