Softrobotica Verbeteren met ‘Embodied Energy’ Opent Nieuwe Mogelijkheden

Robotica is een snelgroeiende markt, voorspeld om uit te breiden van $94,54 miljard in 2024 tot meer dan $372,59 miljard tegen 2034. 

Industriële robots leiden momenteel deze groei. Vandaag werken meer dan 3.4 million industriële robots om ons leven gemakkelijker te maken. Industriële bedrijven plannen ook om 25% van hun kapitaal te investeren in industriële automatisering gedurende de komende vijf jaar.

Naarmate robotica steeds meer tractie krijgt, krijgt een subveld van robotica ook de aandacht van onderzoekers. Naarmate de vraag naar robots toeneemt in toepassingen buiten industriële automatisering, wint het subveld van softrobotica steeds meer interesse.

Deze robots kopiëren de voortbewegingsmechanismen van zachte en flexibele lichamen die in de natuur bestaan, zoals slangen, regenwormen, paling, octopussen en andere.

Softrobotica haalt inspiratie uit de biologische structuren van deze zachte lichamen voor hun soepele en complexe beweging. In plaats van harde, metalen componenten te gebruiken zoals traditionele robots, worden softrobots doorgaans gemaakt van buigzame materialen zoals gel en rubber. Dit stelt hen in staat zich aan te passen aan complexe omgevingen en veilig met mensen te interageren.

Voor hun actuatie worden verschillende methoden gebruikt, zoals warmteprikkels, elektrische signalen en luchtdruk, onder andere. De bronnen van hun activering bevinden zich meestal buiten de robotlichamen en regelen hun bewegingen.

Deze robots bieden voordelen van aanpasbaarheid en verhoogde veiligheid. Het gebruik van flexibel en lichtgewicht materiaal maakt deze machines bijzonder geschikt voor directe interactie met mensen, omdat het het risico op letsel vermindert. Dit maakt ze zeer nuttig in toepassingen zoals gezondheidszorg en draagbare technologie.

Flexibele gewrichten en zachte grijpers stellen deze robots in staat om gemakkelijk te buigen, te draaien en te rekken. Het vermogen om biologische bewegingen uit te voeren maakt ze bruikbaar voor taken die mogelijk niet veilig zijn voor mensen of een hoge mate van controle vereisen. Hun structurele flexibiliteit en behendigheid maken ze bovendien geschikt voor het hanteren van breekbare voorwerpen en het uitvoeren van andere delicate taken.

Maar natuurlijk staan softrobots ook voor uitdagingen zoals beperkte sterkte, lage precisie, lage duurzaamheid, moeilijkheden bij productie en opschaling, en de noodzaak voor geavanceerde algoritmen en uitgebreide sensingsystemen.

Echter, aangezien de capaciteiten van softrobots nauw aansluiten bij zachte biologische organismen, vormen ze een veelbelovend kenmerk in diverse sectoren zoals gezondheidszorg, landbouw, zoek- en reddingsoperaties en ruimteverkenning.

Verschillende veelbelovende softrobots zijn al ontwikkeld. Bijvoorbeeld, de tentakelrobot van Harvard, waarvan de kwalachtige zachte grijper breekbare objecten voorzichtig kan vastpakken door de mechanica van krullend haar na te bootsen.

Op het gebied van gezondheidszorg heeft K-FLEX van het Korea Advanced Institute of Science and Technology de mogelijkheid om littekensvrije endoscopische chirurgie uit te voeren, en kan het bionische hart van MIT medische professionals helpen bij het bestuderen van cardiovasculaire aandoeningen en het bepalen van de beste behandelingsoptie voor patiënten.

Softrobots worden ook ingezet om oceanen te verkennen. Een paar jaar geleden presenteerden Chinese onderzoekers een zelfvoorzienende softrobot die het diepste punt kan bereiken — de Marianentrog. Wat ruimteverkenning betreft, kunnen door NASA gesponsorde graafende softrobots door zandachtig terrein navigeren en mogelijk op een dag naar de manen van Jupiter worden gestuurd.

Naarmate onderzoek naar softrobots vordert, kan men zelfs verwachten dat ze rigide robots in verschillende toepassingen zullen vervangen. 

De evolutie van softrobotsoorten

Een nieuwe studie van Cornell Engineering heeft een draadloze terrestrische kruipende robot gepresenteerd met een geïntegreerd modulair energiesysteem doorheen zijn zachte lichaam. 

Voordat dit wormrobot werd gemaakt, bouwde het laboratorium een kwalrobot in samenwerking met de Archer Group van Cornell Engineering. Beide zijn directe afstammelingen van een waterige softrobot die zes jaar geleden werd gepresenteerd. 

Dus, in 2019 presenteerden onderzoekers van Cornell University een paper¹ met de titel \”Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.\” Het systeem, dat redox flow batterijen nabootste, combineerde de functies van hydraulische krachttransmissie, actuatie en energieopslag in één ontwerp, waardoor de energiedichtheid van de robot toenam en een werking tot wel 36 uur mogelijk werd.

Hiervoor haalden de onderzoekers inspiratie uit een leeuwvis, die golvende, waaierachtige vinnen gebruikt om door koraalrifomgevingen te glijden.

Destijds merkten de onderzoekers op dat \”dit gebruik van elektrochemische energieopslag in hydraulische vloeistoffen de energiedichtheid, autonomie, efficiëntie en multifunctionaliteit in toekomstige robotontwerpen zou kunnen vergroten.\”

Een paar maanden geleden werd een nieuw artikel², \”Het multifunctionele gebruik van een waterige batterij voor een hoogcapaciteitskwalrobot,\” uitgebracht. Deze keer werd een RFB gevormd in de vorm van een kwal, wat een multifunctioneel gebruik van energie mogelijk maakt. 

Kwallen bestaan grotendeels uit een stof genaamd \”mesoglea\”, die fungeert als een intern skelet. Dit materiaal maakt het lichaam van de kwal elastisch en helpt de vorm te herstellen nadat het vervormt door spiercontractie. De mesoglea bestaat uit fibrilline-bevattende microfibrillen die de kwal gebruikt om zijn spieren aan te drijven, naast het mogelijk maken van beweging en voeding.

De robot werd uitsluitend aangedreven door RFB’s met verhoogde volumetrische en oppervlakte-energiedichtheid, wat resulteerde in een lange operationele levensduur voor UUV’s die voornamelijk uit vloeistof bestaan, wat elektrochemisch energiedicht is.

Nu is het onderzoek³ verder geëvolueerd, net zoals het terrestrisch leven, gedreven door batterijontwikkeling en -ontwerp.

Volgens Rob Shepherd, professor in werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaartkunde, die het vorige en dit nieuwe project leidde:

\”Zo evolueert het leven op het land. Je begint met de vis, dan krijg je een eenvoudig organisme dat door de grond wordt ondersteund. De worm is een eenvoudig organisme, maar heeft meer vrijheidsgraden.\”

Hetzelfde \”robotbloed\”, d.w.z. de hydraulische vloeistof die energie opsloeg en eerdere robottoepassingen aandreef, ondersteunt ook de nieuwe robotsoort. Deze keer hebben onderzoekers het ontwerp echter verder verbeterd om een grotere batterijcapaciteit en vermogensdichtheid te bereiken.

De kwal, merkte Shepherd op, heeft veel meer capaciteit voor zijn gewicht. Dit vergrootte de tijdsduur dat de robotvis kon reizen, wat langer was dan die van de echte vis. Nu is hun eerste bovengrondse versie de worm, die onder water drijvend wordt ondersteund en geen skelet nodig heeft, wat betekent dat hij niet rigide hoeft te zijn.

Klik hier om te leren of keramiek essentieel is om de zintuigen in softrobotica uit te breiden.

Embodied Energy die Softrobots aandrijft

Naarmate de vraag naar meer wendbaarheid in robotica groeit, zal hun complexiteit ook toenemen. Dit betekent een toename in dichtheden van sensoren en vrijheidsgraden (DoF), wat de onafhankelijke beweging van een object is.

Als gevolg hiervan zal het energieverbruik van de robots waarschijnlijk ook toenemen, waardoor energiedichtheid een belangrijke factor wordt om in overweging te nemen.

Dit is waar embodied energy in beeld komt. Het is een ontwerpstrategie die de systeemschaal van energiedichtheid verbetert door het multifunctionele gebruik van ingebedde energiebronnen. Deze benadering omvat in feite energiebronnen in het lichaam van de machine, waardoor de kosten en het gewicht worden verminderd.

De modelar wormrobot gebouwd door het Organic Robotics Lab en hun kwal tonen beide de voordelen van deze ’embodied energy’ aan. 

Door de energie opgeslagen in batterijen te integreren in een integraal onderdeel van de robotstructuur en -mechaniek, hebben de onderzoekers betere resultaten behaald. De studie merkte op:

\”Het integreren van een energiebron in motor-aangedreven peesactuatormodules levert een kunstmatige spiereenheid die kan worden samengesteld in robots die geschikt zijn voor langdurig, nuttig werk.\”

Beide robots beschikken over een redox flow batterij (RFB), een type elektrochemisch systeem dat energie opslaat die wordt geleverd door twee chemische componenten opgelost in vloeistof. 

In het geval van de kwalvormige robot werd de RFB gebouwd met een pees. Wanneer de pees wordt getrokken, verandert de vorm van de klok en duwt het wezen omhoog, waarna het weer zakt wanneer de klok ontspant. 

Belangrijker nog, de kwalrobot beschikt over een paar redoxbatterijen: zinkjodide (ZnI2) en zinkbromide (ZnBr2). Broom werd aan het jod in een van de batterijen toegevoegd om het iontransport te verbeteren, wat de batterijcapaciteit en vermogensdichtheid verhoogde. Als gevolg hiervan was de kwalrobot sneller en wendbaarder, met een operationele levensduur van ongeveer 90 minuten.

Nu, om het probleem van dendrietopbouw op de elektrische substraten van de batterijen, die het laden en ontladen belemmeren, te omzeilen, maakten de onderzoekers gebruik van grafeen. Het toepassen van grafeen stelde hen in staat om de kristalvlakken beter af te stemmen en een gelijkmatigere zinkafzetting te verkrijgen. 

De wormrobot heeft een compartimentontwerp. Het lichaam van de worm bestaat uit een reeks onderling verbonden pods, elk met een motor en peesactuator om de worm zijn vorm te laten comprimeren en uitzetten. Elke pod bevat ook een stapel anolytepouches ondergedompeld in een katholyte.

Een essentieel element van het ontwerp was het gebruik van een drooghechtingsmethode om Nafion-scheidingslagen automatisch te binden aan het silicone-urethaan copolymeerlichaam van de worm. De separator houdt de anolyten en katholyten gescheiden terwijl hij de lading tussen hen laat bewegen, waardoor elektronen door de motor worden aangedreven.

\”Er zijn veel robots die hydraulisch worden aangedreven, en wij zijn de eerste die hydraulische vloeistof als batterij gebruiken, wat het totale gewicht van de robot vermindert, omdat de batterij twee doeleinden dient: het leveren van energie voor het systeem en het leveren van de kracht om te bewegen. Dus kun je dingen hebben zoals een worm, waar het bijna volledig energie is, zodat hij lange afstanden kan afleggen.\”

– Shepherd

Bij het testen van de wormrobot ontdekten de onderzoekers dat hij over de grond kan kruipen en omhoog en omlaag kan bewegen in een verticale pijp. Terwijl de robotworm een afgesloten, gebogen pad kan navigeren en omhoog en omlaag kan klimmen, is hij vrij traag, hoewel nog steeds sneller dan andere hydraulisch aangedreven wormbots. Met één lading heeft de worm 35 uur nodig om 105 meter af te leggen.

De worm kan volgens de onderzoekers worden toegepast bij de verkenning van een beperkte omgeving, zoals lange en smalle doorgangen, en mogelijk bij het uitvoeren van reparaties. Wat de kwal betreft, kan deze worden ingezet voor oceaanverkenning. 

Ondersteund door het Office of Naval Research en het Basic Energy Sciences Program van het Department of Energy, is dit onderzoek slechts het begin, aangezien de focus van hun toekomstige werk zal liggen op een volledig vloeibare RFB. De studie merkte op dat de polysulfide-iodide batterij, met zijn hoge energiedichtheid en lage kosten, bijzonder veelbelovend is voor toepassingen in softrobotica.

Uiteindelijk streeft het team ernaar om high-capacity, embodied energy-robots te bouwen. Deze toekomstige robots zullen ook skeletten hebben en zelfs kunnen lopen, waardoor ze op mensen lijken.

\”Een onvolmaakt organisme. Maar nog steeds behoorlijk goed presterend.\”

– Shepherd

Relevante Bedrijven

Laten we nu een paar beursgenoteerde bedrijven bekijken die bijdragen aan de vooruitgang van het robotica-veld. 

1. iRobot Corporation (IRBT )

Een wereldwijd consumentrobotbedrijf, iRobot is betrokken bij het ontwerpen, bouwen en verkopen van duurzame robots. Zijn producten omvatten Roomba, Braava en Root. iRobot heeft wereldwijd tientallen miljoenen robots verkocht.

Met een marktkapitalisatie van $231 miljoen worden iRobot-aandelen momenteel verhandeld tegen $7,59, een daling van 2,45% YTD. De EPS (TTM) is -4,60, terwijl de P/E (TTM) ratio -1,64 is.

Onlangs rapporteerde het bedrijf voorlopige financiële resultaten voor het vierde kwartaal van 2024, waaruit blijkt dat het een omzet van $171 miljoen verwacht en een GAAP operationeel verlies van $59 miljoen. Het verwacht ook dat de kas en kasequivalenten aan het einde van het fiscale jaar 2024 ongeveer $134 miljoen zullen bedragen.

De resultaten, zei CEO Gary Cohen, “reflecteren een hoger dan verwacht seizoensgebonden promotiebudget om de verkoop te stimuleren voorafgaand aan onze productlanceringen in 2025.” Hij deelde ook dat iRobot “fundamenteel de manier heeft veranderd waarop we innoveren, ontwikkelen en onze robots bouwen,” en dat de geplande productlanceringen “die zijn ontworpen om consumenten te enthousiasmeren met functiesrijke robots en de consumentenproductervaring te verbeteren” op schema liggen om dit jaar te worden uitgebracht.

2. Teradyne (TER )

Een wereldwijde leverancier van geautomatiseerde testapparatuur en robotica-oplossingen, Teradyne opereert via vier segmenten met focus op halfgeleiders, draadloze producten, systemen voor opslag, lucht- en ruimtevaart, en printplaten, en robotica, die robotarmen, autonome mobiele robots en geavanceerde robotbesturingssoftware omvatten.

Het bedrijf heeft wereldwijd meer dan 80.000 geavanceerde robotsystemen geïmplementeerd en heeft meer dan $700 miljoen geïnvesteerd in geavanceerde robotica en automatisering. Teradyne’s MiR-robots stroomlijnen interne transport- en materiaalbehandeling, terwijl zijn cobots een breed scala aan toepassingen ondersteunen. Zijn automatiseringsoplossingen stellen bedrijven in staat hun operationele efficiëntie te verbeteren door de kracht van machines te integreren.

Met een marktkapitalisatie van $18,74 miljard worden Teradyne-aandelen momenteel verhandeld tegen $116, een daling van 8,61% YTD. De EPS (TTM) is 3,32, terwijl de P/E (TTM) ratio 34,68 is. Het bedrijf betaalt een dividendrendement van 0,42%.

Voor Q4 2024 rapporteerde het bedrijf een omzet van $753 miljoen, waarvan $98 miljoen afkomstig was van robotica en de rest van het halfgeleidersegment. De GAAP nettowinst voor het kwartaal bedroeg $146,3 miljoen of $0,90 per verwaterde aandeel.

CEO Greg Smith schreef deze groei toe aan sterke AI-rekenkracht en gerelateerd geheugen, terwijl Mobile en Auto/Industrial de verwachtingen overtroffen. Een versnellende omzetgroei wordt dit jaar verwacht, waarbij Teradyne van plan is haar robotica-activiteiten strategisch opnieuw uit te lijnen om de klantbeleving te verbeteren en operationele efficiëntie te stimuleren.

3. Zimmer Biomet (ZBH )

Een wereldwijd medisch technologiebedrijf, Zimmer Biomet is actief op het gebied van biologics, sportgeneeskunde, extremiteiten, trauma-producten, chirurgische producten en een reeks robottechnologieën die data, data-analyse en AI benutten. 

Met een marktkapitalisatie van $22 miljard worden Zimmer Biomet-aandelen momenteel verhandeld tegen $110,10, een stijging van 4,72% YTD. De EPS (TTM) is 5,25, terwijl de P/E (TTM) ratio 21,07 is. Het bedrijf betaalt een dividendrendement van 0,87%.

Voor Q3 2024 rapporteerde het bedrijf een netto-omzet van $1,824 miljard, een stijging van 4% ten opzichte van dezelfde periode vorig jaar, terwijl de nettowinst $249,1 miljoen bedroeg. De verwaterde winst per aandeel voor het kwartaal was $1,23, terwijl de aangepaste verwaterde winst per aandeel $1,74 was. Na deze “sterke prestatie” zei CEO Ivan Tornos dat ze hun “missie zullen voortzetten om miljoenen mensen te helpen pijn te verlichten en hun levenskwaliteit te verbeteren.” 

In deze periode verwierf het bedrijf OrthoGrid Systems, een medisch technologiebedrijf dat zich richt op AI-gedreven chirurgische geleidingssystemen voor totale heupprotheses. Het staat nu ook op het punt Paragon 28, een medisch apparaatbedrijf, over te nemen in een deal van $1,1 miljard voor de behandeling van voet- en enkelziekten.

Conclusie

Naarmate de vraag naar automatisering en efficiëntie stijgt, groeit ook de populariteit van robotica. Tegen deze sterke groeiachtergrond ziet het subveld van softrobotica veel innovatie, waardoor nieuwe toepassingen in de gezondheidszorg, verkenning en industriële automatisering worden ontsloten. 

De evolutie van softrobotica—die aanpasbaarheid combineert geïnspireerd op levende organismen met embodied energy—biedt de potentie om eindelijk de langdurige beperkingen van duurzaamheid en energie-efficiëntie te overwinnen. Terwijl onderzoekers, ondersteund door overheidsinitiatieven, blijven werken aan het verfijnen van robotontwerpen en multifunctionele energiebronnen, worden deze machines geleidelijk een realiteit, waardoor toegankelijkheid, efficiëntie en veiligheid verbeteren.

Klik hier om te leren hoe softrobotica zal profiteren van schuimfluidica.