27/01/2022
Door Ad Spijkers
Insecten inspireren onderzoekers bij nieuw grijpermechanisme voor robots.
Een internationaal onderzoeksteam op het gebied van biomechanica heeft op insectenpoten geïnspireerde grijpers ontwikkeld. Onder leiding van de Syddansk Universitet (SDU) in Odense hebben onderzoekers van de Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) het idee van hand- naar voetelementen overgebracht. In de toekomst zouden robots niet alleen beter en met minder inspanning kunnen vastgrijpen, maar ook snel en veilig kunnen bewegen op oneffen oppervlakken.
Sprinkhaanpoten
Veel robots kunnen objecten omsluiten met grijparmen zonder veel druk uit te oefenen. Ze kunnen zich aanpassen aan de contouren van hun doelobjecten. Hierachter zit een ontwerpprincipe uit de natuur, het zogenaamde Fin-Ray effect. Als je op één kant van een puntige driehoek drukt, buigt deze niet van je af maar naar je toe. Dankzij speciale interne verbindingen passen vinnen zich optimaal aan aan verschillende stromingsomstandigheden.
Soortgelijke verbindingen zijn te vinden in de poten van veel insecten. Ze zorgen ervoor dat ze zich beter aan de ondergrond aanpassen en daar stevig hechten. Een van de centrale onderzoeksvragen was waarom insecten zonder veel moeite zo goed aan oppervlakken blijven plakken? En hoe creëer je het benodigde grote contactoppervlak?
De wetenschappers in Kiel onderzochten verschillende insectenpoten zoals die van de sprinkhaan Tettigonia viridissima (groen hooipaard). De verbindingen in Fin-Ray grijparmen zijn altijd onder een hoek van 90° bevestigd, maar bij insecten komen ze onder verschillende hoeken voor. De effecten die andere hoeken kunnen hebben op het Fin-Ray effect zijn nog niet in detail onderzocht.
Als onderdeel van het onderzoek hebben de onderzoekers in Kiel berekend welke krachten onder verschillende hoeken op de grijparmen en hun doelobjecten werken. De resultaten van hun computersimulaties controleerden ze in experimenten en krachtmetingen met modellen uit de 3D-printer.
Lager energieverbruik
De onderzoekers zagen dat grijparmen met kleinere hoeken hun doelobjecten gemakkelijker vastgrijpen en minder kracht nodig hebben. Hierdoor zouden robots bijvoorbeeld voedsel en andere gevoelige objecten vast kunnen pakken met ongeveer 20% minder energie. Dit zou de jaren oude ontwerpparadigma's voor een hele grijprobotindustrie kunnen veranderen.
De onderzoekers brachten het grijpprincipe over op robots, zodat ze ook ronde objecten veilig konden omsluiten. Na eerste tests op de SDU met een enkele robotvoet werd in het Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (Vistec) in Rayong (Thailand) een complete robot met zes poten gemaakt om op twee pijpen en steenachtige grond te lopen. De onderzoekers ontdekten dat robots met verbindingen in een hoek van 10° sneller en gemakkelijker bewogen en minder energie verbruikten dan die met verbindingen in een klassieke hoek van 90°. Dit kan bijvoorbeeld interessant zijn voor de olie- of gasindustrie.
De resultaten tot nu toe zijn veelbelovend, maar zijn gebaseerd op grijpelementen van zacht materiaal. De volgende stap is om grijpers te ontwikkelen van een materiaal dat zowel flexibel is om zich aan te passen aan objecten of ondoordringbare oppervlakken, als robuust en veerkrachtig is om op lange termijn reële omgevingsomstandigheden te weerstaan.
Foto: Poramate Manoonpong