02/03/2023
Door Ad Spijkers
Italiaanse onderzoekers bouwden de eerste door een regenworm geïnspireerde robot door de morfologie en de werking van echte regenwormen na te bootsen.
Onderzoekers van het Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Genua hebben een nieuwe zachte robot gerealiseerd, geïnspireerd op de biologie van regenwormen. Het prototype is geïnspireerd op regenwormen. Hij kan kruipen dankzij zachte actuatoren die zich uitstrekken of knijpen,wanneer er lucht doorheen gaat of naar buiten wordt getrokken. Het prototype is het startpunt voor de ontwikkeling van robots voor ondergrondse verkenning, maar ook voor zoek- en reddingsoperaties in besloten ruimtes en de verkenning van andere planeten.
Bio-inspiratie
De natuur biedt veel voorbeelden van dieren, zoals slangen, regenwormen, slakken en rupsen, die zowel de flexibiliteit van hun lichaam als het vermogen om fysieke reizende golven over de lengte van hun lichaam gebruiken. Hiermee genereren ze bewegingen om verschillende omgevingen te verkennen. Sommige van hun bewegingen zijn ook vergelijkbaar met plantenwortels.
De creatie van een regenwormachtige robot werd mogelijk gemaakt door een grondig begrip en toepassing van de voortbewegingsmechanica van regenwormen. De dieren gebruiken afwisselende samentrekkingen van spierlagen om zichzelf zowel onder als boven het grondoppervlak voort te stuwen door retrograde peristaltische golven te genereren. De individuele segmenten van hun lichaam (metameren) hebben een specifieke hoeveelheid vloeistof die de interne druk regelt om krachten uit te oefenen en onafhankelijke, gelokaliseerde en variabele bewegingspatronen uit te voeren.
De IIT-onderzoekers hebben de morfologie van regenwormen bestudeerd. Ze hebben een manier gevonden om hun spierbewegingen, hun coelomische kamers met constant volume en de functie van hun borstelachtige haren (setae) na te bootsen door zachte robotoplossingen te creëren.
Beweging
Het team ontwikkelde een peristaltische zachte actuator (PSA) die de antagonistische spierbewegingen van regenwormen implementeert. Vanuit een neutrale positie rekt de actuator uit als er lucht in wordt gepompt en wordt samengedrukt als er lucht uit wordt gehaald. Het hele lichaam van de robotachtige regenworm is gemaakt van vijf PSA-modules in serie, verbonden met interlinks. Het huidige prototype is 45 cm lang en weegt 605 gram.
Elke actuator heeft een huid van elastomeer die een bekende hoeveelheid vloeistof inkapselt. Hierdoor wordt het constante volume van interne coelomische vloeistof in regenwormen nagebootst. Het regenwormsegment wordt longitudinaal korter en breder in de omtrek en oefent radiale krachten uit als de longitudinale spieren van een individuele kamer met constant volume samentrekken.
Elke afzonderlijke actuator vertoont een maximale rek van 10,97 mm bij 1 bar positieve druk en een maximale compressie van 11,13 mm bij 0,5 bar negatieve druk. De actuator is uniek in zijn vermogen om zowel longitudinale als radiale krachten te genereren in een enkele module.
Om de robot op een vlak oppervlak voort te stuwen, werden kleine passieve wrijvingskussens, geïnspireerd op de setae van regenwormen, aan het ventrale oppervlak van de robot bevestigd. De robot vertoonde verbeterde voortbeweging met een snelheid van 1,35 mm/s.
Vooruitzichten
De studie presenteert niet alleen een nieuwe methode voor het ontwikkelen van een peristaltische regenwormachtige zachte robot. Ze biedt ook een dieper begrip van voortbeweging vanuit een bio-geïnspireerd perspectief in verschillende omgevingen. De potentiële toepassingen voor deze technologie zijn groot, waaronder ondergrondse verkenning, opgraving, zoek- en reddingsoperaties in ondergrondse omgevingen en de verkenning van andere planeten.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Istituto Italiano di Tecnologia