02/02/2024
Door Ad Spijkers
Zwitserse onderzoekers ontwikkelen een kunstspier die nieuwe toepassingen binnen bereik brengt.
Robotici willen vaak robots te bouwen die niet alleen een combinatie zijn van metaal of andere harde materialen en motoren, maar ook zachter en beter aanpasbaar zijn. Zachte robots zouden op een heel andere manier met hun omgeving kunnen omgaan. Ze kunnen bijvoorbeeld schokken opvangen zoals menselijke ledematen dat doen, of een voorwerp subtiel vastpakken.
Dit zou ook voordelen bieden op het gebied van energieverbruik: robotbewegingen vereisen de energie om een positie te behouden, terwijl zachte systemen energie kunnen opslaan. Wat ligt er dus meer voor de hand dan de menselijke spier als model te nemen en te proberen deze opnieuw te creëren?
Kunstspieren
De werking van kunstmatige spieren is gebaseerd op de biologie. Net als hun natuurlijke tegenhangers trekken kunstmatige spieren samen als reactie op een elektrische impuls. De kunstspieren die aan de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich zijn ontwikkeld, bestaan echter niet uit cellen en vezels. Ze bestaan uit een zakje gevuld met een vloeistof (meestal olie), waarvan het omhulsel gedeeltelijk bedekt is met elektroden.
Wanneer de elektroden een elektrische spanning ontvangen, trekken ze samen. Ze duwen de vloeistof in de rest van het zakje, dat buigt en zo een gewicht kan tillen. Een enkel zakje is analoog aan een korte bundel spiervezels. Er kunnen meerdere vezels met elkaar worden verbonden om een compleet voortstuwingselement te vormen: een actuator ofwel een kunstmatige spier.
Het idee om kunstmatige spieren te ontwikkelen is niet nieuw, maar tot nu toe was er een groot obstakel bij de realisatie. Elektrostatische actuatoren werkten alleen met spanningen van ongeveer 6.000 V tot 10.000 V. Hierdoor moesten de spieren worden aangesloten op grote versterkers met hoge spanning. Ook werkten ze niet in water en waren ze niet helemaal veilig voor mensen.
Nieuwe ontwikkeling
Onderzoekers in Zürich hebben een nieuwe versie van een kunstmatige spier ontwikkeld. Ze noemen de nieuwe kunstmatige spieren HALVE-actuators, waarbij HALVE staat voor 'Hydraulically Amplified Low-Voltage Electrostatic'. Bij andere actuatoren zitten de elektroden aan de buitenkant van de schaal. Bij de nieuwe kunstspier bestaat de schaal uit verschillende lagen. De onderzoekers hebben een ferro-elektrisch materiaal met een hoge permittiviteit genomen, dat wil zeggen een materiaal dat relatief grote hoeveelheden elektrische energie kan opslaan. Dit hebben ze gecombineerd met een laag elektroden.
Vervolgens hebben ze het gecoat met een polymeer omhulsel dat goede mechanische eigenschappen heeft en het zakje stabieler maakt. De onderzoekers konden hierdoor de vereiste spanning verlagen; de hogere permittiviteit van het ferro-elektrische materiaal maakt ondanks een lage spanning grote krachten mogelijk. De Zwitsers ontwikkelden niet alleen de schaal voor de HALVE-actuators, maar bouwden de actuatoren ook zelf in het lab voor gebruik in twee robots.
Grijpers en vissen
Een van deze robotvoorbeelden is een 11 cm hoge grijper met twee vingers. Elke vinger wordt bewogen door drie in serie geschakelde zakjes van de HALVE-actuator. Een kleine stroomvoorziening op batterijen voorziet de robot van 900 V. Samen wegen de batterij en voeding slechts 15 g. De gehele grijper, inclusief de stroom- en besturingselektronica, weegt 45 g. De grijper kan een glad plastic voorwerp stevig genoeg vastgrijpen om zijn eigen gewicht te dragen wanneer het voorwerp met een koord de lucht in wordt getild.
Het tweede object is een visachtige zwemmer van bijna 30 cm lang, die soepel door het water kan bewegen. Het bestaat uit een 'kop' met daarin de elektronica en een flexibel 'lichaam' waar de HALVE actuatoren aan zijn bevestigd. Deze actuatoren bewegen afwisselend in een ritme dat de zwembeweging produceert. De autonome vis kan in 14 s van stilstand naar een snelheid van 3 cm/s gaan in normaal kraanwater.
Veiligheid
Dit tweede voorbeeld is belangrijk omdat het nog een nieuw kenmerk van de HALVE-actuators laat zien. Nu de elektroden niet langer onbeschermd buiten de schaal zitten, zijn de kunstspieren waterdicht en kunnen ze ook in geleidende vloeistoffen worden gebruikt. De elektroden worden beschermd tegen de omgeving en omgekeerd wordt de omgeving beschermd tegen de elektroden. De gelaagde structuur van de zakjes heeft ook het voordeel dat de nieuwe actuatoren robuuster zijn dan andere kunstmatige spieren.
Idealiter zouden de zakjes veel beweging moeten kunnen bereiken en dit snel doen. Maar zelfs de kleinste productiefout, zoals een stofje tussen de elektroden, kan tot een elektrische storing leiden. Bij eerdere modellen verbrandde de elektrode, waardoor er een gat in de schaal ontstond. Hierdoor kon de vloeistof ontsnappen en werd de actuator onbruikbaar. Bij de HALVE-actuators sluit één enkel gat zich in essentie zelf dankzij de beschermende kunststof buitenlaag. Als gevolg hiervan blijft het zakje meestal volledig functioneel, zelfs na een elektrische storing.
De volgende stap is, de technologie klaar te maken voor productie op grotere schaal. ETH kan dat niet zelf, maar er is al interesse van bedrijven die willen samenwerken. Kunstspieren zouden bijvoorbeeld op een dag kunnen worden gebruikt in nieuwe robots, prothesen of wearables; met andere woorden, in technologieën die op het menselijk lichaam worden gedragen.
Foto: Screenshot van video