Sputterende ketchupfles laat zachte robots soepel lopen
Het hart van de nieuwe zachte robot is een 'hysteretisch ventiel', zoals de onderzoekers hun uitvinding noemen in een publicatie in het vakblad Matter.
Een slim ontworpen drukventiel laat zachte robots zonder computerbesturing reageren op hun omgeving. Hoe dat werkt, leggen onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) uit in een recent verschenen artikel in het vakblad Matter. Het onderzoek van Bas Overvelde, hoofddocent bij de faculteit Mechanical Engineering, en promovendus Luuk van Laake brengt robots die bewegen en voelen als levende wezens dichterbij. Zulke ontwerpen zijn beter geschikt voor het verkennen van ruig en onbekend terrein of voor medische toepassingen.
Robots worden nog steeds voornamelijk geassocieerd met harde machines, aangestuurd door een centrale computer die over elke stap moet nadenken. Levende wezens bewegen juist soepel doordat er intelligent gedrag zit ingebakken in hun lichaam, wat ook ideaal is voor robots die voortdurend omgaan met mensen, zoals in de medische zorg. Het onderzoeksveld van soft robotics werkt dan ook aan robots van zachte, flexibele materialen die zonder aansturing van buitenaf reageren op veranderingen in hun omgeving.
Bas Overvelde, naast zijn aanstelling bij de TU/e ook werkzaam bij AMOLF: "Wij willen robots maken zonder centrale computer, die bewegen en reageren op hun omgeving dankzij ingebouwde reflexen in het robotlichaam." In het vakblad Matter presenteert Overvelde's team zo'n zachte robot die werkt op luchtdruk (zonder elektronica), die loopt én van ritme verandert door te reageren op de omgeving dankzij een slim ontworpen ventiel.
Ketchupfles
Het hart van de nieuwe zachte robot is een 'hysteretisch ventiel', zoals de onderzoekers hun uitvinding noemen in hun vakpublicatie. Buitenstaanders kunnen het ventiel herkennen als een variant op de opening van een ketchupfles. "Dat zorgt ervoor dat je ketchup makkelijk kunt doseren en dat de vloeistof niet lekt", zegt Overvelde: "Toch gaat de ketchup soms sputteren als je 'm ondersteboven houdt en er hard in knijpt." De opening klappert dan snel open en dicht. Moderne flessen zijn aangepast zodat ze zo min mogelijk sputteren, maar Overvelde en collega’s vroegen zich juist af of je met dit normaal gesproken ongewenste gedrag een robot kunt laten bewegen.
In een computermodel ontwierpen de onderzoekers eerst eigenschappen zoals de stijfheid van de minuscule flapjes in de ventielopening. Daarna werden de ventielen gemaakt door siliconenrubber in een nauwkeurig 3D-geprinte mal te gieten. Met een laser sneden ze daarin kleine inkepingen. Zo ontstaat een ventiel dat normaal dicht is, opeens opengaat als de druk hoog genoeg is, en pas weer sluit als de druk een stuk is gezakt. Sluit je dit ventiel aan op een pomp en reservoir, dan ontstaat vanzelf een ritme van druk opbouwen en lucht doorlaten. Zo worden de spieren van de zachte robot afwisselend opgepompt en ontspannen.
Het nieuwe onderdeel lijkt simpel, maar bleek verborgen krachten te hebben, vertelt promovendus Luuk van Laake. "Toen we een computermodel maakten van twee van zulke ventielen die waren aangesloten op hetzelfde reservoir, bleken ze heel precies om en om in beweging te komen. Compleet onverwacht, maar het bleek vervolgens ook echt te werken." Zo konden de onderzoekers een vierpotige robot bouwen met een natuurlijk loopritme, zonder commando's van buitenaf. Ook een zachte grijphand met vijf ritmisch trommelende vingers bleek haalbaar.
Reageren op de omgeving
De ultieme droom van zachte robotontwerpers is een robot die niet alleen uit zichzelf beweegt, maar ook reageert op zijn omgeving. Van Laake: "Uiteindelijk wil je een robot die vanzelf van loopritme verandert als hij een obstakel tegenkomt, puur omdat de spieren en gewrichten reageren op de tegendruk."
Dat reageren op de omgeving lukt in het lab al aardig. Als de onderzoekers kortstondig een luchtslangetje afsluiten door er even in te knijpen, verandert de druk in het robotlichaam. De robot schakelt dan naar een ander loopritme. "Onze zachte robot kan reageren op de omgeving zonder dat daar opdrachten van een centrale computer voor nodig zijn", legt Van Laake uit.
Efficiënt
Voordat de zachte robot aan het zorgbed staat, is er nog een weg te gaan. Maar de vooruitzichten zijn goed, denken de onderzoekers. Overvelde: "Je ziet hier hoe je met simpele onderdelen complex gedrag kunt maken, zonder een computer die elke beweging heeft voorgekauwd."
Een zachte robot die beweegt door ingebouwde natuurlijke reflexen scheelt volgens Van Laake niet alleen rekenkracht, maar ook energie. "In levende wezens zie je ook dat veel beweging en gedrag voortkomt uit de bouw van het lichaam en de mechanica van spieren, in plaats van te worden voorgeschreven vanuit de hersenen." Zo balanceert ons hart automatisch de druk in de linker- en rechterkamer en hergebruiken we de elastische energie die tijdens het lopen bij elke stap wordt opgeslagen in onze pezen. "Dat blijkt enorm efficiënt. Er is wat dat betreft nog heel veel gedrag om te verkennen."
Meer informatie
Lucas van Laake e.a. , A fluidic relaxation oscillator for reprogrammable sequential actuation in soft robots, Matter