Nieuwe ‘zachte spier’ maakt levensechte robots mogelijk

Een nieuwe synthetische zachte actuator maakt het mogelijk robots te creëren die de bewegingen van onder meer mensen zeer realistisch nabootsen. De ‘zachte spier’ kan met een 3D-printer worden geprint en bestaat uit een kunstmatige materiaal dat kan uitzetten zonder dat hiervoor een externe compressor of een hoog voltage nodig is. 

De actuator is ontwikkeld door onderzoekers van het Creative Machine Labs van de Columbia University. De onderzoekers beschrijven hun ontwikkeling in een artikel in het wetenschappelijk tijdschrift Nature. Het nieuwe kunstmatige materiaal heeft een belastingsdichtheid – de verhouding tussen belasting en herstel – die 15 maal hoger is dan die van een natuurlijke spier. Dit betekent in de praktijk dat de actuator 1.000 maal zijn eigen gewicht kan tillen. 

Soft robots

Zachte kunstmatige actuatoren maken het mogelijk zogeheten ‘soft robots’, robots die gebouwd zijn van materialen die veel weg hebben van levende organismen. Dergelijke robots bieden ten opzichte van traditionele robots – die geproduceerd zijn van rigide materialen – meer flexibiliteit en kunnen zich eenvoudiger aanpassen om delicate taken uit te voeren. Daarnaast zijn soft robots zoals de naam doet vermoeden doorgaans van een zachter materiaal geproduceerd dan traditionele robots. Dit helpt eventueel letsel te beperken indien een soft robot en een mens onverhoopt in botsing komen. 

Soft robots kunnen voor uiteenlopende toepassingen worden ingezet, waaronder in de maakindustrie en zorgsector. De robots zijn in verhouding met traditionele rigide robots beter in staat natuurlijke bewegingen uit te voeren, zoals het vastpakken en manipuleren van objecten. Dit stelt het in staat delicate taken uit te voeren, die met traditionele rigide robots onmogelijk zijn. 

Eerdere zachte actuatoren

Al langer wordt gewerkt aan zachte actuatoren, maar deze waren tot nu toe niet geschikt voor gebruik in soft robots. Eerdere zachte actuatoren werden gemaakt van twee materialen: metaallegeringen met vormgeheugen of vloeibaar elastomeer. Beide bieden echter flinke beperkingen. Zo is een voltage van meer dan 1 kilovolt nodig om elektro-actieve polymeren van metaallegeringen met vormgeheugen te laten bewegen en zijn deze legeringen niet bestand tegen een hoge belasting. Vloeibaar elastomeer kan uitzetten onder invloed van lucht of vloeistof, maar hiervoor is een externe compressor en drukregelapparatuur nodig. Deze zijn te groot om zachte actuatoren op een kleine schaal te creëren, wat de ontwikkeling van soft robots in de weg stond. 

De onderzoekers stellen met hun nieuwe ‘kunstmatige spier’ een oplossing te hebben gevonden. Het nieuwe materiaal bestaat uit een siliconenrubbermatrix, waarin ethanol is verwerkt. Het materiaal bestaat hierdoor voor 80% uit siliconenrubber en 20% uit ethanol. Dit ethanol zit opgeslagen in kleine microbubbels die in het siliconenrubber zijn verwerkt. Het materiaal kan met behulp van een 3D-printer in de gewenste vorm worden geprint. 

Materiaal kan 900% uitzetten

Het materiaal kan met behulp van een dunne draad die onder een spanning van 8V, 1A wordt gezet worden opgewarmd. Het ethanol in het siliconenrubber bereikt hierdoor een temperatuur waarbij de vloeistof wordt omgezet in gas, waardoor het materiaal fors uitzet. Door het materiaal op deze wijze op te warmen tot 80% wisten de onderzoekers het materiaal met 900% te laten uitzetten. Het materiaal kan een druk van 1,3 MPa (megapascal) aan. 

Het is mogelijk dit proces met behulp van een computersysteem aan te sturen, wat het mogelijk maakt de actuator bepaalde bewegingen te laten maken. Door dit proces nauwkeurig te programmeren is het mogelijk met behulp van de zachte actuator een soft robot levensechte bewegingen te laten maken. Een belangrijk voordeel is dat het materiaal beschikbaar is voor slechts 3 dollarcent per gram, wat het mogelijk maakt zachte actuatoren relatief goedkoop te produceren.

Duwen, trekken, buigen en draaien

“Ons zachte functionele materiaal kan dienen als een robuuste zachte actuator, die mogelijk de manier waarop soft robotoplossingen worden ontwikkeld kan revolutioneren”, legt Aslan Miriyev, een onderzoeker van het Creative Machine Labs, uit. “Het kan duwen, trekken, buigen, draaien en gewicht optillen. Het is het meest op een natuurlijk spier lijkende kunstmatige materiaal dat we tot nu toe hebben.”

“We hebben grote stappen gemaakt op het gebied van de hersenen van robots, maar robotlichamen zijn nog steeds primitief”, aldus Hod Lipson, die het Creative Machine Labs van de Columbia University leidt. “Dit is een groot stuk van de puzzel. De nieuwe actuator kan, net als in biologie, op duizenden manieren worden gevormd en hervormd. We hebben één van de laatste barrières voor het creëren van levensechte robots overwonnen.”

Doorontwikkelen

De onderzoekers willen hun ontwikkeling doorontwikkelen en hopen de dunne draad die zij in hun huidige versie gebruiken te kunnen vervangen met geleidend materiaal. Dit moet zowel de reactietijd van de zachte actuator versnellen als de levensduur van het component verlengen. Op de lange termijn hopen de onderzoekers kunstmatige intelligentie te kunnen inzetten om de actuator aan te sturen, waarmee de onderzoekers opnieuw een belangrijke stap hopen te zetten in het repliceren van natuurlijke bewegingen in robots. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: Columbia University
Bron: Nature
Foto door: Aslan Miriyev/Columbia Engineering