Semi‑Autonome Zachte Robots Klaar om Levens te Redden

Wanneer je aan robots denkt, stel je je waarschijnlijk een rigide machine voor die taken kan uitvoeren of je kan assisteren bij je inspanningen. Echter, een andere robotklasse blijft de wenkbrauwen doen fronsen en brengt innovatie – zachte robots. Deze unieke apparaten kunnen hun vorm en handelingen aanpassen om aan vele taken te voldoen. Hier is wat je moet weten.

Wat zijn zachte robots en waarom zijn ze spelveranderaars?

De sector van zachte robotica is een opwindende markt die voortdurend enorme upgrades en innovatie ziet. Velen zien deze apparaten als de sleutel tot rampenbestrijdingsinspanningen. De zachte en aanpasbare aard van deze eenheden stelt hen in staat om door kleine gaten en buizen te kruipen wanneer nodig, waardoor de robot de moeilijkste locaties kan bereiken die met traditionele opties onbereikbaar zouden zijn.
Zachte robots zijn gemaakt van flexibele materialen die hen in staat stellen hun structuur naar behoefte te vervormen en te buigen. Deze apparaten komen in vele vormen, waarbij sommige zijn ontworpen om door buizen te kronkelen als een slang, terwijl andere zich kunnen vouwen of oprollen tot een bal, wat superieure toegang biedt wanneer de situatie dat vereist.

Belangrijke uitdagingen die de ontwikkeling van zachte robots belemmeren

Zachte robots zijn niet perfect. Hun inherente ontwerp en materialen maken het creëren van deze apparaten een evenwicht tussen prestaties en het plaatsen van componenten op plekken waar ze de flexibiliteit niet belemmeren. In het verleden beperkten ingenieurs de gebruikte elektronica om de stijfheid van hun zachte robotica elektronica te verminderen.

Het verminderen van de geïntegreerde sensoren in deze systemen helpt stijve printplaten en servomotoren te elimineren, maar betekent ook dat deze apparaten meestal beperkt zijn tot eenrichtingscommunicatiesystemen. Deze systemen zijn hoe de piloot de robot door ruw terrein zou navigeren.

Door de beperkingen van deze aanpak te erkennen, heeft een team van creatieve ingenieurs van verschillende toonaangevende onderzoeksinstellingen een verbeterd zacht robotontwerp voorgesteld dat de stijfheid vermindert en de prestaties overal verbetert.

Doorbraakstudie onthult slimmere, flexibele zachte robots

De “Wireless, Multifunctional System-Integrated Programmable Soft Robot”¹ studie, gepubliceerd in Nano-Micro Letters, introduceert een nieuw zacht robotconcept dat capabeler en betaalbaarder is dan eerdere opties. Als onderdeel van de verbeterde mogelijkheden van de robot heeft het team een reeks sensoren geïntroduceerd die het apparaat in staat stellen semi‑autonome beslissingen te nemen op basis van de huidige situatie en omgeving.

Bron – Jennifer M. McCann

Binnen het ontwerp van de volgende generatie zachte robots

Als onderdeel van het nieuwe zachte robotontwerp begon het team met het volledig opnieuw creëren van de lay-out van de zachte robot. Ze realiseerden zich dat ze het apparaat op een manier moesten maken die het mogelijk maakt meerdere vormen en bewegingen te bereiken met minimaal energieverbruik. Om deze taak te volbrengen, integreren ze magnetisch responsieve zachte composietmatrices met vervormbare multifunctionele elektronica.

Hoe ingenieurs flexibiliteit behouden in geavanceerde zachte robots

Het flexibel houden van zachte robots is een groot probleem voor zowel ontwerpers als ingenieurs. Elke keer dat je een extra chip, sensor, batterij of servo toevoegt, beperk je de flexibiliteit van dat deel van de robot aanzienlijk. Daardoor hebben meer capabele zachte robots meestal minder flexibiliteit omdat hun kerncomponenten niet kunnen buigen zonder te falen.
Het team heeft veel tijd besteed aan het debat over het ideale draadloze circuit, sensoren en apparaten. Vervolgens lag het aan de ingenieurs om de beste locatie voor deze apparaten te bepalen die de beweging zouden beïnvloeden. Uiteindelijk werd een specifieke lay-out overeengekomen die de elektronica zo plaatste dat de robot volledig kon aanpassen en zelfs kon oprollen tot een bal wanneer dat nodig was.

Magnetisch gecontroleerde beweging: Hoe deze zachte robots bewegen

De ingenieurs moesten vervolgens uitzoeken hoe ze de robot de mogelijkheid konden geven om zijn vorm te vervormen. Voor deze stap richtten ze zich op verschillende magnetische verbindingen. Concreet worden de magnetische verbindingen bereid door de gesynthetiseerde WcMP’s te mengen met een siliconenelastomeer en een uithardingsmiddel.

Daarna werd een laser gebruikt om de magnetische zachte composieten te patrooniseren voordat warmte werd toegepast. De volgende stap vereiste dat ingenieurs een extern magnetisch veld (200 mT) programmeerden om de richting van ingebedde magnetische deeltjes te roteren en uit te lijnen. Ten slotte kregen de nieuw gemaakte magneten de tijd om af te koelen.

Deze op maat gemaakte magneten zijn ontworpen om bij een lage temperatuur een faseovergang te ondergaan, waardoor ingenieurs de magnetische polariteit binnen enkele seconden kunnen wijzigen. Door de sterkte en richting van het veld aan te passen, kan het team de robot bepaalde taken en vormen laten uitvoeren. Ze merken op dat ze hun apparaat konden laten buigen, draaien en kruipen met deze methode.

Zachte robots nauwkeurig sturen met magnetische velden

Het laboratorium creëerde een magnetisch materiaal dat in de flexibele structuur van de eenheid werd ingebed. Deze actie stelde ingenieurs in staat het apparaat te besturen met behulp van magnetische velden. Ingenieurs pasten het veld toe via handzame magneten en elektromagnetische veldgeneratoren.
Specifiek werden een commerciële permanente NdFeB-magneet en een aangepaste cilindrische elektromagneet gekozen als de beste manier om een extern magnetisch veld toe te passen. Deze apparaten genereren voldoende kracht om de magnetische zachte robot te verplaatsen.

Geïntegreerde sensoren die zachte robots semi‑autonoom maken

De kern van dit onderzoek was de wens om de eerste semi‑autonome zachte robots te maken. Deze apparaten zouden een reeks sensoren integreren die hen in staat stellen beslissingen te nemen op basis van de omgeving. Bijvoorbeeld, ze konden de eenheid zo instellen dat deze reageert op temperatuurveranderingen, obstakels of tijdsbeperkingen.

Magnetische interferentie in zachte robot elektronica overwinnen

De ingenieurs wisten dat het samenbrengen van magneten enkele nieuwe problemen met zich mee zou brengen die moeten worden aangepakt, voornamelijk interferentie. Magnetische velden zijn uitstekend voor het activeren van magneten, maar minder geschikt wat betreft elektronische interferentie. Deze magnetische velden kunnen elektronische functies verstoren en chaos veroorzaken.
Daarom hebben de ingenieurs veel tijd besteed aan het bepalen van de ideale lay-out van de elektronica. Ze konden de beste plaatsing van sensoren en chips bepalen op basis van interferentieniveaus en vooraf ingestelde krachten. Deze stap zorgde ervoor dat de zachte robot niet plotseling zou falen wanneer hij van vorm verandert en zijn elektromagnetische eigenschappen aanpast.

De mogelijkheden van zachte robots testen in realistische omgevingen

Om de mogelijkheden van hun zachte robots te demonstreren, zette het team een klein hindernisparcours op. Het kleine magnetisch aangedreven apparaat kon verschillende terreinen en obstakels doorkruisen om de reis succesvol te voltooien. De robot is te zien in een gepubliceerde video waarin hij het terrein doorkruist door zijn vorm en lay-out te wijzigen.