03/10/2022
Door Ad Spijkers
Een interdisciplinair team van wetenschappers en ingenieurs van de University of Minnesota heeft een op planten geïnspireerd extrusieproces ontwikkeld waarmee synthetische materialen kunnen groeien.
Zachte robotica is een opkomend gebied waarbij robots worden gemaakt van zachte, buigzame materialen in plaats van stijve. Zachte groeiende robots kunnen nieuw materiaal aanmaken en 'groeien' terwijl ze bewegen. Deze machines zouden kunnen worden gebruikt voor operaties in afgelegen gebieden waar mensen niet kunnen komen, zoals het inspecteren of installeren van buizen onder de grond of het navigeren in het menselijk lichaam voor biomedische toepassingen.
De ontwikkeling van nieuwe productiemethoden is van belang om nieuwe producten naar de mensen te brengen. Wat robotica betreft, worden robots steeds meer gebruikt in gevaarlijke, afgelegen omgevingen en dit zijn het soort gebieden waar dit werk een impact kan hebben.
De huidige zacht groeiende robots slepen een spoor van vast materiaal achter zich aan en kunnen dat materiaal met behulp van warmte en/of druk omzetten in een meer permanente structuur, zoals een 3D-printer vast filament krijgt toegediend om zijn gevormde product te maken. Het spoor van vast materiaal wordt echter moeilijker te trekken in bochten en bochten, waardoor het voor de robots moeilijk wordt om over terreinen met obstakels of bochtige paden te navigeren. Met deze nieuwe aanpak kunnen onderzoekers betere zachte robots bouwen die kunnen navigeren op moeilijk bereikbare plaatsen, in ingewikkeld terrein en mogelijk in het menselijk lichaam.
Extrusieproces
Het onderzoeksteam loste dit probleem op door een nieuwe manier van extrusie te ontwikkelen. Dankzij het nieuwe proces kan de robot zijn synthetische materiaal maken van een vloeistof in plaats van een vaste stof. De onderzoekers werden geïnspireerd door hoe planten en schimmels groeien. Ze namen het idee dat planten en schimmels materiaal toevoegen aan het einde van hun lichaam, ofwel aan hun wortelpunten of aan hun nieuwe scheuten, en vertaalden dat naar een technisch systeem.
Planten gebruiken water om de bouwstenen te vervoeren die worden omgezet in steviger wortels naarmate de plant bovengronds groeit. De onderzoekers konden dit proces nabootsen met synthetisch materiaal met behulp van fotopolymerisatie. Hierbij wordt licht gebruikt om vloeibare monomeren om te zetten in een vast materiaal. Met behulp van deze technologie kan de zachte robot gemakkelijker over obstakels en kronkelige paden navigeren zonder vast materiaal achter zich aan te hoeven slepen.
Toepassing
Dit nieuwe proces heeft toepassingen in de productie. Aangezien de techniek van de onderzoekers alleen vloeistof en licht gebruikt, zijn bewerkingen waarbij hitte, druk en dure machines worden gebruikt om materialen te maken en te vormen misschien niet nodig. Bij het project zijn zowel materiaalwetenschappers en chemische ingenieurs als robotica-ingenieurs betrokken. Het was alleen mogelijk door de verschillende expertises samen te brengen. Door de samenwerking konden de wetenschappers moeilijke fundamentele problemen aanpakken en tegelijkertijd een technologische impact geven.
Foto: Olivia Hultgren