06/07/2021
Door Ad Spijkers
Door een spin geïnspireerde snelle en efficiënte gewrichten kunne een verscheidenheid aan robots besturen.
Spinnen dienden al eerder als biologisch model voor onderzoek aan zachte robotica. De hydraulische aandrijfmechanismen die de geleedpotigen gebruiken om hun poten te bewegen bij het weven van hun web of bij het jagen, verlenen spinnen krachten die menig constructeur heeft geprobeerd na te bootsen.
Een team van onderzoekers van het Max Planck Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart en de University of Colorado in Boulder heeft nu een nog nooit eerder toegepast spinnengewricht nagebouwd. Gelede robots kunnen er goed mee worden bewogen. De poten hebben geen omvangrijke componenten en connectoren nodig die de robot verzwaren en hem onbeweeglijk en traag maken. De slanke en lichte, eenvoudig gelede structuren kunnen de robot tien keer zo hoog katapulteren.
Elektrohydraulische gewrichten
De hoge sprongkracht wordt mogelijk gemaakt dankzij door spinnen geïnspireerde elektrohydraulische gewrichten (SES-gewrichten). De onderzoekers gebruiken de gewrichten in veel verschillende configuraties. Alle creaties op basis van SES-verbindingen zijn licht van gewicht, eenvoudig van ontwerp en krachtig. Dit maakt ze geschikt voor robotsystemen die snel moeten kunnen bewegen en interageren met veel verschillende omgevingen.
De wetenschappers produceerden eerst een bidirectioneel gewricht en vervolgens een meerdelige ledemaat. Uiteindelijk konden ze de gewrichten zelfs gebruiken om een grijper met drie vingers te bouwen. De robothand kan gemakkelijk zelfs breekbare voorwerpen oppakken en verplaatsen. Bij een grijper met kunstspieren zouden deze in de weg zitten wanneer de robothand een voorwerp grijpt. SES-verbindingen nemen ook veel minder ruimte in beslag.
Zachte gewrichten
De onderzoekers ontwikkelden hun SES-gewrichten op basis van technologie die enkele jaren geleden is ontwikkeld om kunstmatige spieren te bouwen. De SES-gewrichten bootsen een op een spin geïnspireerd exoskelet na dat bestaat uit zowel stijve als zachte elementen. Maar terwijl het dier een hydraulische kracht genereert wanneer het zijn poten strekt, buigt de robot juist zijn poten.
SES-verbindingen bestaan een zacht zakje van dunne kunststoffolie (polyester of polypropeen), gevuld met een elektrisch isolerende stof (plantaardige olie). Vervolgens bevestigen ze elektroden aan elke kant van het zakje, dat is verbonden met een stijf gewricht. Wanneer tussen de elektroden een hoge spanning wordt aangelegd, zorgen de elektrostatische krachten ervoor dat de plantaardige olie in het zakje verschuift, waardoor de verbinding gaat draaien.
De gewrichten kunnen tot 70° worden gedraaid en genereren een hoog koppel. Bovendien keren de gewrichten automatisch terug naar hun oorspronkelijke positie. De gewrichten zijn eenvoudig en licht; er zijn geen randcomponenten die de robot belasten. De op spinnen geïnspireerde verbindingen zijn krachtig, verbruiken weinig energie en zijn gemakkelijk en goedkoop te produceren (de onderzoekers gebruiken kunststoffen die worden gebruikt om levensmiddelen te verpakken).
De productie van de verbindingen zou dus gemakkelijk schaalbaar zijn. Deze criteria zijn belangrijk bij het ontwerpen als je robots op verschillende manieren moeten bewegen en allerlei voorwerpen kunnen vastpakken zonder ze te breken. SES-gewrichten zullen in de toekomst nuttig zijn voor robotsystemen van slechts enkele centimeters groot, waar de keuze van aandrijving door de beperkte ruimte sterk wordt beperkt.
Foto: MPI-IS