04/04/2023
Door Ad Spijkers
Een door UCLA geleid onderzoeksteam bouwde chipvrije, autonome mechanische robots met geleidende materialen.
Om geavanceerde robotcapaciteiten mogelijk te maken – het waarnemen, analyseren en reageren op de omgeving – zijn traditioneel stijve computerchips nodig. Maar deze voegen extra gewicht toe aan dunne plaat en maken ze moeilijker te vouwen. Op halfgeleiders gebaseerde componenten worden daarom toegevoegd nadat een robot zijn definitieve vorm heeft aangenomen.
Een multidisciplinair team onder leiding van onderzoekers van de Samueli School of Engineering aan de University of California Los Angeles heeft een nieuwe fabricagetechniek ontwikkeld voor volledig opvouwbare robots. Deze kunnen verschillende complexe taken uitvoeren zonder afhankelijk te zijn van halfgeleiders.
Origami
De onderzoekers bedden flexibele en elektrisch geleidende materialen in in een voorgesneden dunne polyester folie. Ze creëerden een systeem van informatie verwerkende eenheden die kunnen worden geïntegreerd met sensoren en actuatoren. Vervolgens programmeerden ze de folie met eenvoudige, aan een computer analoge, functies die die van halfgeleiders nabootsen. Eenmaal gesneden, gevouwen en in elkaar gezet, transformeerde de folie in een autonome robot die hun omgeving met precisie kan waarnemen, analyseren en reageren. De onderzoekers noemden hun robots OrigaMechs, een afkorting van Origami MechanoBots.
Het onderzoek leidt tot een nieuwe klasse van origami-robots met uitgebreide mogelijkheden en niveaus van autonomie. Tegelijkertijd blijven de gunstige eigenschappen van op origamivouwen gebaseerde fabricage behouden. De OrigaMechs ontlenen hun rekenmogelijkheden aan een combinatie van mechanische origami-multiplexschakelaars gecreëerd door de vouwen en geprogrammeerde Booleaanse logische commando's, zoals AND, OR en NOT. De schakelaars maakten een mechanisme mogelijk dat selectief elektrische signalen afgeeft op basis van de variabele druk en warmte-invoer in het systeem.
Demo's
Met behulp van de nieuwe aanpak bouwde het team drie robots om het potentieel van het systeem te demonstreren:
- een insectachtige lopende robot die van richting verandert wanneer een van zijn antennes een obstakel waarneemt
- een Venus flytrap-achtige robot die een 'prooi' omhult wanneer beide kaaksensoren een object detecteren
- een herprogrammeerbare tweewielige robot die langs vooraf ontworpen paden van verschillende geometrische patronen kan bewegen
De robots werden voor de demonstratie aan een stroombron vastgemaakt. Het doel op lange termijn is om de autonome origami-robots te voorzien van een ingebed energieopslagsysteem dat wordt aangedreven door dunne-film lithiumbatterijen.
Toepassingen
Het chipvrije ontwerp kan ertoe leiden dat robots in extreme omgevingen kunnen werken waar traditionele op halfgeleiders gebaseerde elektronica mogelijk niet functioneert. Te denken valt aan locaties met sterke stralings- of magnetische velden en plaatsen met intense radiofrequentiesignalen of hoge elektrostatische ontladingen. Bij dit soort gevaarlijke of onvoorspelbare scenario's, zoals tijdens een door de natuur of de mens veroorzaakte ramp, zouden origami-robots nuttig kunnen zijn.
De robots kunnen worden ontworpen voor speciale functies en snel op verzoek worden vervaardigd. Hoewel dat nog ver weg is, zouden er ook omgevingen op andere planeten kunnen zijn waar ontdekkingsrobots die ongevoelig zijn voor die scenario's wenselijk zouden zijn.
Voorgemonteerde robots gebouwd met deze flexibele knip-en-vouwtechniek kunnen in een platte verpakking worden vervoerd voor ruimtebesparing. Dit is belangrijk in scenario's zoals ruimtemissies, waar elke cm3 telt. De goedkope, lichtgewicht en eenvoudig te fabriceren robots kunnen ook leiden tot innovatieve educatieve hulpmiddelen of nieuwe soorten speelgoed en games.
Foto: Wenzhong Yan/UCLA