Programmeerbare zachte actuatoren veelbelovend voor ‘zachte robotica’

Onderzoekers van de TU Delft hebben zeer goed programmeerbare actuatoren ontwikkeld die net als een mensenhand uit harde en zachte materialen bestaan om complexe bewegingen te kunnen maken. Deze materialen hebben groot potentieel voor zachte robots die veilig en efficiënt met mensen en tere voorwerpen kunnen omgaan. De wetenschappers beschrijven hun werk in het nummer van Materials Horizon dat 8 juli verscheen.

‘Robots zijn meestal groot en zwaar. Maar je wilt ook robots hebben die voorzichtig te werk kunnen gaan, bijvoorbeeld als ze met weke delen in het menselijk lichaam omgaan. Het vakgebied dat dit onderwerp bestudeert, zachte robotica, wordt nu snel populairder’, aldus prof. Amir Zadpoor, die het onderzoek heeft begeleid dat in Materials Horizon verschijnt.

‘Je bent eigenlijk op zoek naar iets met vergelijkbare kenmerken als de menselijke hand, zoals een zachte grip, snelle maar toch precieze bewegingen, en kracht. Dat proberen we met onze zachte programmeerbare materialen uit de 3D-printer te bereiken.’

Dankzij hun zachte aanraking kunnen zachte robots veilig en efficiënt met mensen en tere voorwerpen omgaan. Voor de aandrijving van deze nieuwe generatie robots zijn echter zachte, programmeerbare mechanismen nodig. Flexibele metamaterialen die op basis van mechanische instabiliteit werken, bieden ongekende functies die in het materiaal zelf geprogrammeerd zijn. Dit maakt ze heel geschikt voor zachte mechanismen. ‘De aanpasbaarheid van de mechanische metamaterialen die tot nu toe zijn voorgesteld was echter erg beperkt’, zegt onderzoeker en hoofdauteur Shahram Janbaz.   

‘We presenteren nu een aantal nieuwe ontwerpen van ultraprogrammeerbare mechanische metamaterialen waarbij niet alleen de aandrijfkracht en amplitude maar ook de aandrijfmodus binnen een heel wijd bereik kan worden gekozen en ingesteld. We geven ook een aantal voorbeelden van hoe deze zachte actuatoren in robotica zouden kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld als drukwisselaar, kinematische controller en als pick&place-eindeffector', zei Janbaz.

‘De functie zit al in het materiaal zelf', legde Zadpoor uit. ‘We moesten het fenomeen van vervorming daarom beter bestuderen. Ooit werd het als het toppunt van slecht ontwerp beschouwd, maar in de afgelopen paar jaar is die eigenschap onder controle gekregen en wordt het gebruikt om mechanische metamaterialen met geavanceerde functies mee te ontwerpen. Zachte robotica in het algemeen en zachte actuatoren in het bijzonder kunnen enorm van zulke designmaterialen profiteren. Of het enorme potentieel van vervorming echt kan worden ingezet hangt ervan af of de grootste beperking van de ontwerpen die tot nu toe zijn gepresenteerd kan worden verholpen: de beperkte programmeerbaarheid ervan. Wij konden hogere vervormingsgradaties berekenen en voorspellen en het materiaal hier vatbaarder voor maken.’ 

‘We presenteren dus metamaterialen van meerdere materialen die worden aangedreven door vervorming en zeer programmeerbaar zijn’, zei Janbaz. ‘We hebben rationele ontwerpbenaderingen gecombineerd met voorspellende rekenmodellen en met geavanceerde, ‘additive-manufacturing'-technieken waarbij meerdere materialen worden gebruikt om met de 3D-printer cellulaire materialen te printen met arbitraire verdelingen van harde en zachte materialen in de centrale delen en hoeken van hun eenheidscellen. We hebben als belangrijkste ontwerpparameters de geometrie en ruimtelijke verdeling van materiaaleigenschappen gebruikt en hiermee zachte metamaterialen ontwikkeld die zich als mechanismen gedragen waarvan de aandrijfkracht en amplitude kunnen worden aangepast.’