Zachte robots kunnen kleiner dankzij nieuwe actuatoren (video)

Ingenieurs aan de Universiteit van Californië in San Diego hebben een manier ontwikkeld om zachte robots te bouwen die compact, draagbaar en multifunctioneel zijn. Ze worden samengesteld uit zachte, buisvormige actuatoren waarvan de bewegingen elektrisch worden aangestuurd. Hierdoor zijn ze gemakkelijk te integreren met kleine elektronische componenten.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances.

Als proof of concept hebben ingenieurs de nieuwe actuators gebruikt om een zachte, op batterijen werkende robot te bouwen die vrij op vlakke oppervlakken kan lopen en objecten kan verplaatsen. Ze bouwden ook een zachte grijper die kleine voorwerpen kan vastpakken en oppakken.

De meeste zachte actuatoren komen vergezeld van omvangrijke attributen. Dat komt omdat hun bewegingen worden geregeld door lucht of vloeistoffen door kamers naar binnen te pompen. Het bouwen van robots met dit soort actuatoren zou dus vereisen dat ze worden gekoppeld aan pompen, grote stroombronnen en andere gespecialiseerde apparatuur.

De nieuwe actuatoren worden aangestuurd met elektriciteit. "Dat maakt onze buisvormige actuatoren compatibel met de meeste goedkope, in de handel verkrijgbare elektronische apparaten en batterijen," zegt teamleider en ruimtevaart engineering professor Shengqiang Cai.

De actuatoren zijn gemaakt van elastomeren met vloeibare kristallen. Dit soort materialen verandert van vorm, beweegt en trektken samen als reactie op stimuli als hitte of elektriciteit - vergelijkbaar met hoe spieren samentrekken als reactie op signalen van zenuwcellen.
Elke actuator bestaat uit drie verwarmingsdraden tussen twee dunne films van vloeibaar kristal-elastomeer. Het materiaal wordt vervolgens in een opgerold, voorgerekt en blootgesteld aan UV-licht.

Verwarmingsdraad

Elke verwarmingsdraad kan onafhankelijk worden aangestuurd, waardoor de buis in 6 verschillende richtingen kan buigen. Wanneer een elektrische stroom door een of twee van de draden wordt geleid, warmt deze een deel van de buis op en laat deze in de richting van die draden buigen. Wanneer een stroom door alle drie de draden wordt gestuurd, trekt de hele buis samen en wordt deze korter. Wanneer de elektriciteit wordt uitgeschakeld, koelt de buis langzaam af en keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

Door meerdere actuatoren te combineren, hebben de ingenieurs al verschillende zachte robots gebouwd. Ze creëerden onder meer een ‘vrij' lopende robot met vier actuatoren als benen, aangedreven door een kleine, in de bot geïntegreerde lithium / polymeerbatterij. Ze bouwden ook een zachte grijper met drie actuatoren als vingers.

Elke robot heeft een ingebouwde microcontroller waarin ingenieurs een reeks elektrisch bestuurde bewegingen voor de actuatoren hebben geprogrammeerd. Hierdoor kunnen de robots onafhankelijk bewegen.

Het team werkt nu aan een snellere versie. De huidige actuators doen er ongeveer 30 seconden over om volledig te buigen en samen te trekken, en tot vier minuten om terug te keren naar hun oorspronkelijke vormen. Dat komt omdat het materiaal wat tijd nodig heeft om volledig op te warmen en af te koelen. Het uiteindelijke doel is om actuatoren te maken die net zo snel kunnen samentrekken en ontspannen als menselijke spieren.