Samenwerken aan een real life Barbapapa

“Wetenschappelijk gezien is het een broedkamer voor nieuwe richtingen en onderzoek”, aldus Bas Overvelde, associate professor binnen de Soft Robotics groep in de faculteit Mechanical Engineering en wetenschappelijk groepsleider van de Soft Robotic Matter Group op AMOLF. “Het is een mooi onderwerp dat onderzoekers bij elkaar brengt, waardoor continu nieuwe ideeën ontstaan.” In 2020 ontving Overvelde een vijfjarige ERC-startsubsidie van meer dan 1,5 miljoen euro om het toepassingsperspectief van zachte robots te vergroten.

Daarvoor werkt hij samen met collega’s vanuit verschillende disciplines en faculteiten van de TU/e, zoals Chemical Engineering and Chemistry, Industrial Design, Mechanical Engineering en ICMS. “Zo’n interdisciplinaire aanpak is karakteristiek voor een nieuwe wetenschap waarmee we pionieren op allerlei gebieden: materialen, mechanische intelligentie, interactie met de mens, design. Juist omdat het een heel andere manier van denken vergt die meer richting de intelligentie van de natuur gaat. Het is een vorm van kunstmatige intelligentie.”

Keten van onderzoeksdisciplines

Een essentiële eigenschap van soft robotics ten opzichte van hard robotics is het autonome aanpassingsvermogen, maar dat maakt het ook minder voorspelbaar en vraagt om nieuwe ontwerpmethodes om zachte robots de gewenste taken of functionaliteiten te laten uitvoeren. ‘Traditionele’ robots hebben scharnierpunten en andere harde bewegende onderdelen, waardoor ze heel geschikt zijn voor programmeerbare, repetitieve handelingen, legt onderzoeker Jaap den Toonder – leider van onderzoekssectie Microsystems – uit.

“Zachte robots reageren op stimuli als luchtdruk of licht. Hun bewegingen komen voort uit de reactie en vervorming van het materiaal, waarin ‘m dus ook de intelligentie zit. Dat biedt veel ruimte voor complexe mogelijkheden. Daarom is een hele keten van onderzoeksdisciplines nodig: om de juiste materialen te bedenken en ontwikkelen (scheikunde), het mechanische ontwerp te maken en de systemen te sturen en beheersen (werktuigbouwkunde).In het nieuwe Interactive Polymeric Materials Research Center is ontwikkeling van interactieve polymeren één van de hoofddoelen en deze zijn meteen de basis voor het verder brengen van soft robotics. Binnen het NWO Zwaartekracht project gaan we daarom ook prototypes ontwikkelen."

Bovendien maken die flexibiliteit en zachtheid zachte robots bij uitstek geschikt voor menselijke interactie, waar onderzoeker Miguel Bruns van de faculteit Industrial Design zich mee bezighoudt. “Zachte materialen passen beter bij de mens dan harde, mechanische. Maar wat het vooral vernieuwend maakt, zijn de dynamische eigenschappen die het gebruik van nieuwe materialen met zich meebrengt. Dat maakt het mogelijk om fysieke eigenschappen gecontroleerd te manipuleren en aan te passen aan de behoeften van de gebruiker, zoals de mens. Al kunnen ook dieren, planten of gebouwen gebruikers zijn overigens. Dat adaptieve karakter is het interessante aan soft robotics.”

Of, zoals Overvelde het verwoordt: “Een zachte robot zal nooit je hand kapot knijpen. De kracht van harde robotica maakt samenwerking tussen mensen en robots lastiger, dus soft robotics is een manier om die interactie veiliger te maken. In de slipstream helpt dat ook de sociale acceptatie, want zachte robotjes staan dichter bij ons.”

Wat weer bijdraagt aan een van de toepassingen waar hij zich op richt: de ontwikkeling van een kunsthart. “Wat wordt eerder geaccepteerd in ons lichaam; een harde pomp of een kloppend voorwerp dat lijkt op een natuurlijk hart? Zulke vragen moeten uiteindelijk getest en beantwoord worden in een menselijke omgeving.”

Voelen waar je niet zelf bent

Vanuit die omgeving haakt onderzoeker Irene Kuling van onderzoekssectie Dynamics and Control aan. “Mijn achtergrond ligt in haptiek: alles wat te maken heeft met waarneming via handen. In dat opzicht zetten we soft robotics momenteel op twee manieren in: de ontwikkeling van een hand die menselijke bewegingen zo natuurgetrouw mogelijk nabootst en de ontwikkeling van objecten waarmee we op afstand haptische feedback geven aan de mens. Oftewel: voelen waar je niet zelf bent. Denk bijvoorbeeld aan onderhoud in een kerncentrale, een hand geven via beeldbellen, of gordijnen digitaal aanraken voordat je ze online bestelt.”

Zodoende biedt soft robotics echt een meerwaarde voor de huidige zintuigelijke mogelijkheden, onderstreept Kuling. “Op dat gebied is al veel gebeurd, zoals 3D-beeld, scherpere pixels of omgevingsgeluid, maar qua voelen bestaat er eigenlijk nog maar weinig. Daar brengt soft robotics verandering in en we staan pas aan het begin. Vanuit traditionele robotica denken we heel erg in prestatietermen, terwijl we met soft robotica veel creatiever kunnen zijn. Wie weet, leidt het wel tot een real life Barbapapa, iets dat in zowel lichte als zware objecten kan veranderen.”

Aanmoediging van NASA

Die ongelimiteerde mindset kenmerkt ook onderzoeker Danqing Liu van de faculteit Chemical Engineering and Chemistry. “Omdat soft robotics de kracht mist van hard robotics, moeten we juist van de verschillen een voordeel maken. Zoals de combinatie van bewegende oppervlakten met dynamische coatings, waardoor we met vibraties lastig bereikbare voorwerpen kunnen reinigen zonder water. Bijvoorbeeld zonnepanelen, of denk aan de Mars Rover, die zandstormen over zich heen krijgt. NASA heeft ons al verschillende keren aangemoedigd om dit principe verder uit te werken, als oplossing voor de extreme omstandigheden in de ruimte.”

Liu benadrukt dat ‘soft robotic coating’ heel makkelijk is te integreren in bestaande apparaten. “Het creëert zoveel mogelijkheden. Ook op het gebied van haptiek, met coatings op schermen waardoor je kunt voelen wat op een andere plek gebeurt. Dat is waardevol voor blinde mensen, of voor chirurgen om te ervaren wat er in het lichaam gebeurt tijdens een operatie. Een andere toepassing is een control panel in auto’s waarmee je functies regelt zonder te kijken, zodat je op de weg blijft letten. Straks kunnen we echt twee dingen tegelijk doen.”

Ze durft zelfs nog groter te denken: “Als we deze vorm van haptische interactie grootschalig toepassen, heeft dat een enorme impact op de mens-machine-interface. We gaan de wereld veranderen.”

Intelligentie verder brengen

Mooie toekomstmuziek, maar daarvoor is nog genoeg vervolgonderzoek nodig. “We zijn nu aan het pionieren”, aldus Den Toonder. “De belangrijkste vraag is hoe we de intelligentie zo ver brengen dat zachte robots autonoom reageren, bijvoorbeeld op hun omgeving of op chemische stoffen. Uiteindelijk willen we op microscopische schaal robotjes maken, kleiner dan een haardikte, die door het lichaam lopen en lokaal medicijnen afgeven of operaties doen. Of die in complexe machines met heel kleine onderdelen reparaties uitvoeren.”

Volgens Bruns ‘kunnen we het zo breed trekken als we willen’. “Eetbare robots die van vorm veranderen om medicijnen of voedingsstoffen lokaal af te leveren, of nieuwe sensaties creëren om plantaardige voeding dichter bij de beleving van vlees te brengen. Een voorbeeld hiervan is het 3D printen van op algen gebaseerde hydrogels in de vorm van bacon, die vergelijkbaar met het dierlijke product reageren tijdens het bakken.”

Voor Overvelde zit juist in die andere manieren van denken veel potentie. “Deze nieuwe technologie vraagt om nieuwe oplossingen, dus willen we er zoveel mogelijk andere vakgebieden bij betrekken.”

Daarom zijn op termijn ook filosofen nodig, vult Kuling aan. “Met zachte ystemen werken, zorgt voor een heel andere kijk op het begrip robotica. Past die definitie vooral bij de programmeerbare harde vorm die we al kennen, of ook de zachte variant die minder controleerbaar is? Wat is dan nog een robot? Nu is het een overkoepelende term die zich gaandeweg zal vertakken.”

Meer weten?

Op het gebied van robotica gebeurt nog veel meer binnen de TU/e, zoals te lezen op onze robotica-pagina of de pagina’s van verschillende vakgroepen. Eerdere onderzoeksverhalen over soft robotics vind je hier: Wandelend plastic bezorgt pakketjes en hier: Kunstmatige koraalpoliep reinigt water en transporteert cellen. Bekijk ook deze video op ons YouTube kanaal.