18/06/2024
Door Ad Spijkers
Soft robotica is veelbelovend voor veel toepassingen. Maar het is een uitdaging om actuatoren voor kleine types te ontwerpen.
Onderzoekers van de North Carolina State University in Raleigh hebben hydraulische mini-actuatoren gedemonstreerd om de vervorming en beweging van kleine soft robots te regelen. Ze hebben ook aangetoond dat deze techniek werkt met vormgeheugenmaterialen. Hierdoor kunnen gebruikers de soft robots herhaaldelijk in een gewenste vorm vergrendelen en indien nodig naar de oorspronkelijke vorm terugkeren.
Twee lagen
De aanpak maakt gebruik van commercieel verkrijgbare multi-materiaal 3D-printtechnologieën en vormgeheugenpolymeren. De onderzoekers creëren zachte actuatoren op microschaal waarmee ze kleine zachte robots kunnen besturen, wat goede controle en fijngevoeligheid mogelijk maakt.
De nieuwe techniek berust op het creëren van zachte robots die uit twee lagen bestaan. De eerste laag is een flexibel polymeer dat is gemaakt met behulp van 3D-printtechnologieën. De laag bevat een patroon van microfluïdische kanalen – in wezen kleine buisjes die door het materiaal lopen. De tweede laag is een flexibel vormgeheugenpolymeer. In totaal is de zachte robot slechts 0,8 mm dik.
Beweging en bevriezing
Door vloeistof in de microfluïdische kanalen te pompen, creëren gebruikers hydraulische druk die de zachte robot dwingt te bewegen en van vorm te veranderen. Het patroon van microfluïdische kanalen regelt de beweging en vormverandering van de zachte robot – of deze nu buigt, draait, enzovoort. De hoeveelheid vloeistof die wordt geïntroduceerd, en hoe snel deze wordt geïntroduceerd, bepaalt hoe snel de zachte robot beweegt en de hoeveelheid kracht die de zachte robot uitoefent.
Als gebruikers de vorm van de zachte robot willen 'bevriezen', kunnen ze gematigde hitte (64°C) toepassen en de robot vervolgens kort laten afkoelen. Dit voorkomt dat de zachte robot terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm, zelfs nadat de vloeistof in de microfluïdische kanalen is weggepompt. Als gebruikers de zachte robot in zijn oorspronkelijke vorm willen terugbrengen, passen ze eenvoudigweg de warmte opnieuw toe nadat de vloeistof eruit is gepompt, en de robot ontspant zich in zijn oorspronkelijke configuratie.
Een sleutelfactor hierbij is het verfijnen van de dikte van de vormgeheugenlaag ten opzichte van de laag die de microfluïdische kanalen bevat. De vormgeheugenlaag moet dun genoeg zijn om te buigen wanneer de druk van de actuator wordt uitgeoefend. Maar de laag moet dik genoeg zijn om ervoor te zorgen dat de zachte robot zijn vorm behoudt, zelfs nadat de druk is weggenomen.
Demonstratie
Om de techniek te demonstreren, creëerden de onderzoekers een zachte robot-'grijper', die kleine voorwerpen kon oppakken. De onderzoekers oefenden hydraulische druk uit, waardoor de grijper zich om een voorwerp klemde . Door warmte toe te passen, konden de onderzoekers de grijper in zijn 'gesloten' positie fixeren, zelfs nadat de druk van de hydraulische actuator was opgeheven.
Vervolgens kon de grijper worden verplaatst – waarbij het voorwerp dat hij vasthield – naar een nieuwe positie werd getransporteerd. Onderzoekers pasten vervolgens opnieuw hitte toe, waardoor de grijper het opgepakte object losliet. Omdat deze zachte robots zo dun zijn, kunnen de onderzoekers ze snel en gemakkelijk opwarmen met behulp van een kleine infraroodlichtbron. Ze koelen ook heel snel af – de hele reeks operaties duurt maar ongeveer twee minuten.
De beweging hoeft geen grijper te zijn die knelt. De onderzoekers hebben ook een grijper gedemonstreerd die is geïnspireerd op wijnranken in de natuur. Deze grijpers wikkelen snel rond een object en klemmen het stevig vast, waardoor een veilige grip ontstaat. De ontwikkeling dient als 'proof of concept' voor de nieuwe techniek. De onderzoekers voorzien mogelijke toepassingen in kleinschalige zachte robots, van vorm veranderende machines en biomedische technologie.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Jie Yin, North Carolina State University