3D‑printen kan robotica veiliger maken via biomimica

Een studie, gepubliceerd in Advanced Intelligent Systems deze maand, introduceert een nieuwe vorm van robotische actuator die biomimetica gebruikt om beweging te creëren die vergelijkbaar is met hoe uw spieren werken. Deze zachte actuatoren stellen ingenieurs in staat flexibele apparaten te maken die unieke taken kunnen uitvoeren, zoals buigen of vormen veranderen. Hier is wat u moet weten.

Zachte robotica

Zachte of ‘niet‑compliante’ robots vormen een groeiend vakgebied met onbeperkt potentieel. Deze apparaten kunnen verschuiven en vouwen om in nauwe spleten, rond hoeken en in andere scenario’s te passen waar een rigide apparaat zou falen. Daardoor groeit de markt voor zachte robotica, met analisten die een CAGR van 55,4 % tot 2029 voorspellen.

Problemen met traditionele actuatoren

Een factor die de groei van de zachte‑roboticasector blijft beperken, is de huidige selectie van actuatoren. Elke actuator biedt een extra bewegingsvector voor de eenheid. Deze apparaten creëren echter harde punten in niet‑compliante robotstructuren. Deze harde punten verhinderen echte bewegingsvrijheid.

Bovendien is er een extra actuator nodig voor elk bewegingsbereik. Daardoor kunnen ze het gewicht en de kosten van deze apparaten verhogen. Zwaardere robots verbruiken meer energie, waardoor ze minder bruikbaar, efficiënt en productief zijn.

Biomimetica gebruiken om een betere actuator te creëren

De studie gaat in op een nieuwe vorm van zachte actuator die menselijk spierweefsel beter nabootst doordat hij tegelijk uitrekt en samentrekt. Deze combinatie levert meer kracht en maakt een efficiëntere krachtoverdracht mogelijk. Tot nu toe richtten robotica‑ingenieurs zich voornamelijk op actuatoren die konden uitzetten en samentrekken, met weinig aandacht voor hun stijfheid tijdens het proces.

Bron – Advanced Intelligent Systems

Onderzoekers

Onderzoekers van Northwestern en de McCormick School of Engineering hebben samengewerkt om de mogelijkheden van een nieuw type biomimetische actuator te verkennen. De studie werd geleid door Taekyoung Kim. Hij kreeg hulp van Pranav Karthik, Ryan Truby en junior‑professor Materials Science and Engineering en Mechanical Engineering aan de McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Samen heeft dit innovatieve team een nieuw fabricageproces en werkende prototypes ontwikkeld en diepgaand onderzoek gedaan naar hun nieuwe biomimetische actuator.

Een nieuwe stijl van actuator

De eerste stap die het team zette, was het 3D‑printen van de behuizing van hun eenheid. De onderzoekers moesten een structuur vinden die kon buigen en draaien, maar toch druk kon weerstaan wanneer nodig. Specifiek heeft het ontwerp bellows die automatisch vervormen door torsionele buckling bij toenemende koppel. Deze manoeuvre creëert een helicale vorm die torsionele belasting efficiënt kan overbrengen.

Beter materiaal voor de taak

Ze realiseerden zich al snel dat de normale 3D‑printmaterialen voor actuatoren niet flexibel genoeg zouden zijn om de taak te volbrengen. Na veel beraad besloten ze thermoplastisch polyurethaan (TPU) te gebruiken voor hun apparaat. Dit materiaal komt voor in veel alledaagse spullen. Het is dat rubberachtige materiaal dat in uw telefoonhoesje en andere voorwerpen wordt gebruikt om bescherming te bieden. Opmerkelijk is dat dit materiaal rekbaar is en torsioneel koppel kan weerstaan indien nodig.

Enkele motor

Een van de grootste veranderingen ten opzichte van traditionele actuatoren die de onderzoekers aanboden, was het wegnemen van de noodzaak voor meerdere motoren. Hun apparaat kon een veelvoud aan vormen aannemen en in verschillende richtingen bewegen door simpelweg de enkele motor te draaien, waardoor het apparaat zich kon uitstrekken en samentrekken.

Unieke bewegingen

Het enkele‑motorontwerp geeft deze robots maximale flexibiliteit. Het kan zich uitbreiden en draaien om te voldoen aan de eisen van de omgeving en de doelstellingen. Bovendien verlaagt het enkele‑motorontwerp de kosten en kan het het ontwerp van toekomstige apparaten vereenvoudigen.

Robotkruiper

Het eerste apparaat dat het team maakte, was een 26 centimeter lange robotkruiper. Deze eenheid kan zich uitstrekken en buigen afhankelijk van het koppel dat door de servo wordt opgelegd. De robot kan zich als een worm voortbewegen door een trekkende beweging, waardoor hij door complexe omgevingen kan navigeren met een snelheid van 32 centimeter per minuut.

Het team zette hun kruiper in een openbare video op de proef. De eenheid is te zien terwijl hij een complexe pijp doorkruist die de robot dwingt strakke bochten te maken om naar vrijheid te navigeren. Het apparaat kon de strakke kronkelende bochten moeiteloos overwinnen.

De resultaten van de kruiper‑test waren positief. De robot kan zich tot 45 % uitrekken, waardoor hij lang en dun kan worden wanneer dat nodig is. Bovendien noteerde het team dat de eenheid een maximale geblokkeerde duwkracht van ongeveer 8 N heeft.

Kunstmatige biceps

Het volgende prototype dat het team demonstreerde, was een robotische biceps. Dit apparaat integreerde een 6‑as load cell, lineaire geleider en een enkele servo om koppel en beweging te genereren die vergelijkbaar is met een menselijke biceps.

Het apparaat is gemaakt van hetzelfde rubberachtige materiaal als de zachte as. Dit ontwerp levert niet‑lineaire, visco‑elastische responsen. Deze acties resulteren in een hysterese kracht‑verplaatsingsrespons, waardoor het apparaat items kan krullen zoals een menselijke arm.

De ingenieurs testten hun robotische biceps om de mogelijkheden te beoordelen. De eenheid tilde succesvol een gewicht van 500 g 5.000 keer zonder falen. Deze resultaten tonen de herhaalbaarheid en effectiviteit van de nieuwe benadering van robotbewegingen aan.

Test

De testfase leverde waardevolle feedback op voor de onderzoekers die hun toekomstige ontwerpen willen verbeteren met behulp van deze gegevens. De ingenieurs verzamelden essentiële informatie, waaronder actuator‑koppel, duw‑ en trekdruk, treksterkte en andere cruciale stresstests die kunnen helpen de maximale mogelijkheden van de nieuwe opstelling te bepalen.

Voordelen

De studie van de onderzoekers kan aanzienlijke effecten op de markt hebben. Het veld van zachte robotica blijft groeien en naarmate meer van deze apparaten in productie komen, worden hun voordelen steeds duidelijker. Hieronder enkele manieren waarop dit onderzoek de zachte‑roboticamarkt kan stimuleren.

Robots veiliger maken

Een van de belangrijkste redenen om zachte robots te ontwikkelen, is dat ze veel veiliger zijn om mee te werken. Naarmate meer fabrikanten robotica in hun productieprocessen integreren, zal het steeds gebruikelijker worden dat mensen en robots zij aan zij werken. Zachte robots vormen in de meeste scenario’s een veel betere werkpartner om diverse redenen.

Ten eerste veroorzaken ze minder snel letsel als u tegen hen aanloopt. Botsen met een metalen pijp is al pijnlijk genoeg. De pijn kan verergeren als het metalen apparaat beweegt en u raakt. Zachte robots zouden kleine verwondingen door lichte botsingen en aanrijdingen kunnen voorkomen.

Zachte robots kunnen werken in omgevingen waar traditionele robots als te gevaarlijk worden beschouwd. Ze zouden bijvoorbeeld in de toekomst kunnen helpen bij het hoeden van vee. Voor nu zijn deze apparaten beter geschikt voor mensgerichte omgevingen dan traditionele harde robots.

Lage kosten

Een van de grootste voordelen van de studie is de kostenbesparing. Het creëren van robot‑servers en harde robots is een dure taak die het tot nu toe vooral voor grote, dure fabrikanten toegankelijk maakte. Recente doorbraken hebben het speelveld voor kleinere bedrijven geëgaliseerd.

Deze nieuwste ontwikkeling verlaagt de kosten nog verder. Volgens de documentatie van de onderzoekers kostten de robot‑prototypes die ze gebruikten slechts $3 aan materiaal, exclusief de servo. Deze goedkope alternatieve opent de deur voor meer integratie, aangezien er veel taken zijn die robots zouden kunnen uitvoeren, maar kostenbeperkingen hun gebruik tot nu toe hebben beperkt. Binnenkort zou goedkope zachte robotica in uw dagelijks leven kunnen verschijnen.

Gebruik gewone 3D‑printers.

Een andere doorbraak was de introductie van een 3D‑printer‑vriendelijke biomimetische actuator. Het vermogen om deze apparaten te fabriceren met een standaard 3D‑printer betekent dat iedereen de resultaten van de studie kan toepassen en nieuwe, innovatieve zachte robotontwerpen kan creëren.

Geïntegreerd

De onderzoekers zijn er trots op dat hun nieuwe actuator naadloos kan worden geïntegreerd in de huidige robotontwerpen. Deze stap zal de adoptie stimuleren en innovatie stroomlijnen. Het helpt ontwikkelaars ook om direct feedback te krijgen op hun onderzoek terwijl meer ingenieurs hun strategie benutten.

Huidige marktleiders

De markt voor zachte robotica kent serieuze concurrentie onder de top spelers. Een recente studie toonde aan dat slechts 5 topfabrikanten 40 % van de zachte‑roboticamarkt beheersen. Dezelfde studie wees uit dat Noord‑America de leiding heeft in adoptie. Enkele topfabrikanten zijn Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories en Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne is een cybernetica‑technologiebedrijf dat AI, robotica en informatiesystemen wil combineren om een nieuw niveau van efficiëntie en mogelijkheden te creëren. Het bedrijf is een pionier op de cyberneticamarkt en wordt erkend als een van de toponderzoekers en fabrikanten van zachte robotapparaten.

Cyberdyne heeft indrukwekkende groei doorgemaakt. Het bedrijf zag zijn omzet met +52 % stijgen van ¥2,15 miljard naar ¥3,29 miljard in één jaar. Een groot deel van deze groei is toe te schrijven aan succesvolle ondernemingen in de medische‑apparatuursector.

2. Soft Robotics

Soft Robotics is een andere grote speler in de sector. Dit bedrijf specialiseert zich in geautomatiseerde productie‑ en landbouwtaken. Hun apparaten integreren geavanceerde visuele inspectie‑oplossingen en AI‑algoritmen om ervoor te zorgen dat hun apparaat kan picken, sorteren en items met precisie kan bepalen.

Soft Robotics introduceert een zachte grijphand die 3D‑visie en AI benut om complexe taken uit te voeren die voorheen alleen door mensen konden worden gedaan. Deze apparaten geven telers hoge‑snelheids‑picking, sorteer‑ en verpakkingsmogelijkheden. Opmerkelijk is dat Soft Robotics een uitstekend voorbeeld is van hoe zachte robots de productiviteit kunnen verbeteren.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings is een wereldleider in exoskelettechnologie. De technologie van het bedrijf vervult meerdere rollen in zowel de gezondheidszorg als de productie. Ze bieden momenteel diverse exoskeletten die specifiek worden gebruikt voor revalidatie, therapie en het helpen van mensen met mobiliteitsproblemen om te herstellen.

Ekso biedt zowel bovenlichaam‑ als onderlichaam‑exoskeletten. Deze apparaten stellen de drager in staat verder te reizen, meer te tillen en meer belasting te weerstaan zonder uitputting. De positionering en pionierende producten van het bedrijf hebben sinds 2022 geleid tot enorme omzetgroei.

Bedrijven die kunnen profiteren van de biomimetische actuator

Veel bedrijven zouden de studie van de onderzoekers kunnen toepassen en hun huidige aanbod verbeteren. Deze bedrijven zijn al actief op de markt en bieden producten die mogelijk profiteren van deze technologie in termen van grotere efficiëntie, lagere overhead of betere aanbiedingen.

ReWalk Robotics

ReWalk is een leverancier van bionische loopsystemen. Het bedrijf heeft duizenden mensen geholpen hun mobiliteit terug te krijgen dankzij hun innovatieve aanpak en focus. ReWalk Robotics streeft ernaar paraplegici te helpen de controle over hun leven terug te winnen met hun unieke producten.

De ReWalk bionische loopassistent beschikt over servo‑aangedreven beenspalken, een rugzak‑batterij en een pols‑gemonteerde afstandsbediening. Dit apparaat kan worden ingesteld om te bewegen op commando of automatisch beweging te detecteren. In deze modus kan het systeem de acties van de drager met minimale inspanning versterken.

ReWalk Robotics heeft een consensusbeoordeling van “buy” vanwege haar positie op de markt. Het bedrijf blijft de grenzen verleggen met zijn unieke ontwerpen en producten. De introductie van extra technologie, zoals AI en biomimetische actuatoren, zou de kosten van hun eenheden in de toekomst aanzienlijk kunnen verlagen.

RightHand Robotics

RightHand Robotics is een andere fabrikant van zachte robots. Het bedrijf is gevestigd in Boston en biedt een reeks producten die zijn ontworpen om efficiënte pick‑oplossingen aan de markt te bieden. Het bedrijf wil retailers in staat stellen gestroomlijnde online handel te voeren met behulp van hun robot‑sorteeropties.

Opmerkelijk is dat RightHand Robotics meerdere onderscheidingen heeft ontvangen voor haar inspanningen. Het bedrijf werd uitgeroepen tot Robotics Company of the Year op de New England Venture Capital Association (NEVY) Awards voor haar werk in het veld.

Biomimetica zal het leven voor iedereen gemakkelijker maken.

In de toekomst zullen robots veel meer posities innemen. Zachte robots zullen deze integratie bevorderen, omdat deze apparaten beter geschikt zijn om naast mensen te werken dan traditionele eenheden. Voor nu zou het onderzoek van deze ingenieurs kunnen helpen om robots van zeldzaam naar zeer betaalbare opties te brengen die iedereen kan aanschaffen. Het is daarom verstandig om deze ontwikkelingen te volgen terwijl ze zich ontvouwen.

Learn about other cool projects now