04/08/2023
Door Ad Spijkers
Een nieuw type robotgrijper biedt een ongekende combinatie van kracht en precisie.
Onderzoekers van North Carolina State University in Raleigh hebben een nieuw robotachtig grijpapparaat ontwikkeld. Het is zacht genoeg om een druppel water op te pakken en sterk genoeg om een massa van 6,4 kg op te pakken. Ook is behendig genoeg om een doek te vouwen en nauwkeurig genoeg om microfilms te pakken die twintig keer dunner zijn dan een mensenhaar.
Er zijn mogelijke productietoepassingen, maar de onderzoekers integreerden het apparaat ook met technologie waarmee de grijper kan worden bestuurd door de elektrische signalen. Deze worden geproduceerd door spieren in de onderarm, wat het potentieel voor gebruik met robotprotheses aantoont.
Kracht versus precisie
Het is moeilijk om een enkele zachte grijper te ontwikkelen ultrazachte, ultradunne en zware voorwerpen kan hanteren, gegeven de afwegingen tussen kracht, precisie en zachtheid. Het ontwerp voor de nieuwe grijpers heeft een goede balans tussen deze kenmerken. Het bouwt voort op een eerdere generatie flexibele, robotachtige grijpers die putten uit de kunst van kirigami. Hierbij worden tweedimensionale vellen materiaal zowel gesneden als gevouwen om driedimensionale vormen te creëren.
De nieuwe grijpers maken ook gebruik van kirigami, maar zijn wezenlijk anders, omdat de ontwikkelaars veel hebben geleerd van het vorige ontwerp. Ze hebben de fundamentele structuur kunnen verbeteren en ook het traject van de grijpers, dat wil zeggen het pad waarop deze een object naderen wanneer ze het oppakken.
Krachtverdeling
Het nieuwe ontwerp kan een hoge sterkte en zachtheid bereiken door de manier waarop het kracht verdeelt over de structuur van de grijper. De kracht van robotgrijpers wordt over het algemeen gemeten in de verhouding tussen laadvermogen en gewicht. De nieuwe grijpers hebben een massa van 0,4 g en kunnen tot 6,4 kg tillen. Dat betekent een verhouding tussen capaciteit en massa van ongeveer 16.000. Dat is 2,5 keer hoger dan het vorige record voor deze verhouding (6400). Gecombineerd met de kenmerken van zachtheid en precisie, brengt de kracht van de grijpers een breed scala aan toepassingen binnen bereik.
Een ander voordeel van de nieuwe technologie is dat de aantrekkelijke kenmerken voornamelijk worden bepaald door het structurele ontwerp, en niet door de materialen die zijn gebruikt om de grijpers te fabriceren. Concreet betekent dit dat je de grijpers te maken zouden zijn van biologisch afbreekbare materialen, zoals stevige plantenbladeren.
Dat kan vooral handig zijn voor toepassingen waarbij de grijpers maar een beperkte tijd zal worden gebruikt, zoals bij het hanteren van voedsel of biomedische materialen. De onderzoekers hebben bijvoorbeeld laten zien dat de grijpers gebruikt kunnen worden voor het hanteren van scherp medisch afval, zoals naalden. Ze integreerden het grijpapparaat ook met een myo-elektrische prothetische hand, wat betekent dat de prothese wordt aangestuurd met behulp van spieractiviteit.
Functionaliteit
De grijper bood een verbeterde functie voor taken die moeilijk uit te voeren zijn met bestaande prothetische apparaten. Daarbij kunt u denken zoals oppakken en sluiten van bepaalde soorten ritsen, het oppakken van een munt, enzovoort. De nieuwe grijper kan niet alle functies van bestaande prothetische handen vervangen, maar kan worden gebruikt om die andere functies aan te vullen. Een van de voordelen van de kirigami-grijpers is dat de bestaande motoren die in robotprothesen worden gebruikt, niet hoeven te worden vervangen of aangevuld. Bij het gebruik van de grijpers is gebruik te maken van de bestaande motor.
In ‘proof of concept’ testen toonden de onderzoekers aan dat de kirigami-grijpers kunnen worden gebruikt in combinatie met de myo-elektrische prothese om de pagina's van een boek om te slaan en druiven van een wijnstok te plukken. Ze denken dat het grijperontwerp potentiële toepassingen heeft op gebieden variërend van robotprothesen en voedselverwerking tot farmaceutische en elektronische productie. Ze willen samenwerken met partners uit de industrie om de technologie in te zetten.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Jie Yin