Je snijdt een vinger doormidden, plaatst de twee eindjes aan elkaar en even later is die weer zo goed als nieuw. Het klinkt als science fiction, maar het is pure realiteit. Als je robot bent tenminste.
Over 10 jaar zullen veilige, zachte robots ons in het alledaagse leven helpen. Maar omdat ze zacht zijn, zijn ze ook kwetsbaarder. Onderzoeker Seppe Terryn aan de Vrije Universiteit Brussel vond de oplossing bij zelfherstellende polymeren.
Robots zijn al lang geen toekomstmuziek meer. Ze worden volop ingezet in de productie-industrie. Denk maar aan de gespecialiseerde taken die ze uitvoeren in de auto-industrie. Deze robots zijn groot, zwaar en bestaan uit harde, metalen onderdelen. Enerzijds om zware lasten te kunnen dragen, anderzijds om zichzelf te beschermen.
Maar een ongeluk is snel gebeurd met deze robots. En omwille van hun bouw kunnen de gevolgen ernstig zijn. Een dynamische, onvoorspelbare omgeving, waar ook mensen werken, is met andere woorden niet de plaats voor deze robots. Daarom ontwikkelden onderzoekers zachte robots. Robots die gebaseerd zijn op het menselijk lichaam.
‘Ons lichaam is flexibel’, legt Terryn uit. ‘Wij hebben flexibele spieren en een flexibele huid. Als we ergens tegenaan botsen, vangen wij die botsing gedeeltelijk op. En zo limiteren we ook de schade. Ook in de robotica zijn ze dit idee gaan toepassen. We bouwen robots uit elastische polymeren. Zo maken we ze flexibel en geven we ze een passieve intelligentie. Als je tegen zulke polymeren botst, buigen die van zichzelf wat weg, zonder dat een sensor en een computer dat beslissen.’
Gevoelig voor beschadigingen
Zulke robots kunnen wel buiten een industriële setting treden. Ze kunnen ons thuis helpen, in de zorg, op school, als sociale robots dienen, of als deel van een exoskelet of een prothese. Het probleem is dat deze robots ook sneller beschadigd raken. Net zoals het menselijk lichaam. ‘Wij, en zachte robots ook, zijn erg gevoelig aan scherpe objecten’, vertelt Terryn. ‘Daarvoor zochten we een oplossing. De logische stap is om ze groter, sterker en harder te maken, maar dan verlies je veel van de interessante karakteristieken. De flexibiliteit verdwijnt. Wij besloten om ze te laten genezen.’
Twee vakgroepen van de Vrije Universiteit Brussel sloegen de handen in elkaar: de Robotic & MultyBody Research Group en de Physical Chemistry and Polymer Science Group. ‘Wij waren de eerste die deze zelfherstellende polymeren wisten te combineren met robotica. Daarvoor werd het vooral gebruikt in de coating van dure objecten, zoals auto’s of gsm’s. Krassen in die coating konden dan snel genezen.
Netwerkpolymeer
Zelfherstellende materialen zijn duurder en vonden daarom tot nog toe moeilijk ingang in de traditionele industrie, waar goedkope plastic materialen de plak zwaaien. ‘Maar de componenten van een robot zijn sowieso duurder, vertelt Terryn. ‘Als we de levensduur van zo’n robot kunnen verlengen met zelfherstellend materiaal, is dat wel interessant voor de markt.’
Met de steun van het SHERO-project slaagden Terryn en zijn collega’s erin om grote componenten maken van zulke polymeren, terwijl ze zichzelf toch nog kunnen genezen. ‘We hebben bijvoorbeeld een robothand gemaakt van het zelfherstellend materiaal’, zegt hij. ‘Een van de vingers sneden we doormidden en na een poos was die weer aaneengegroeid.’
‘Hiervoor gebruiken we netwerkpolymeren. Je kunt die vergelijken met een spinnenweb. Omdat alle ketens met elkaar verbonden zijn, gedragen ze zich als een elastiek, die veel kan rekken maar steeds terugspringt als je hem lost. De connectiepunten in het netwerk zijn gemaakt van reversibele chemische bindingen, namelijk de Diels-Alder binding. Die kunnen zich opnieuw vormen, nadat ze gebroken zijn.’
Die Diels-Alder reactie verloopt sneller bij hogere temperaturen. Dat wil dus ook zeggen dat een robot sneller geneest als je de beschadigde plaats verwarmt. De meeste herstellingen duren van een uur tot een dag.’
De enige beperking bij het herstelproces is dat je alle gebroken stukken moet hebben. Als je een vinger afkapt, dan zal die niet uit zichzelf terug groeien. Je moet altijd het vingerkootje ertegen plaatsen. Ook kan het materiaalmoeheid tegengaan. ‘In normale materialen treedt na een tijdje fatigue op. Omdat wij met een dynamisch netwerk werken, gebeurt dat niet. De bindingen veranderen namelijk de hele tijd, ook in rust. Kleine scheurtjes worden zo ook genezen.’
Fruit plukken
Om hun onderzoek in de praktijk te testen, ging de VUB voor het SMART-project in zee met Octinion, een Leuvens bedrijf dat zich specialiseert in nieuwe technologieën voor de voedselindustrie. Een van hun robots plukt aardbeien.
‘Aardbeien zijn heel kwetsbaar en hebben veel verschillende vormen’, vertelt Terryn. ‘Je kunt dan superveel sensoren en camera’s op je grijper plaatsen om telkens te berekenen wanneer die moet stoppen met kracht te zetten. Maar dat vraagt veel computerkracht. Een zachte robot is hier een interessantere oplossing.’ Maar volgens onderzoek verlaagt de levensduur van zo’n zachte grijper door scherpe takken of harde plastic die de robot kunnen beschadigen. Daarom zou het onderzoek van Terryn hier een grote hulp zijn.
Recyclebaar
Bovendien heeft het zelfherstellend materiaal dat ze gebruiken, veel potentieel om recyclebaar te zijn. ‘We kunnen zo’n vinger tot een andere vorm omvormen’, legt Terryn uit. ‘Bij soortgelijke stoffen, zoals rubbers, is dat niet het geval. Denk maar aan de hopen autobanden die ongerecycleerd blijven of in brand worden gestoken. Daarnaast hebben we iemand aangenomen die onderzoekt hoe we de verschillende componenten van het materiaal ecologischer kunnen maken.’
Tijdens de verdere ontwikkeling van het materiaal, houden de onderzoekers voortdurend een oog op de markt gericht. Zo willen ze er zeker van zijn dat er voldoende toepassingen voor hun product zijn. Toch is het moeilijk in te schatten hoe lang het zou duren voordat zulke zelfherstellende robots op de markt komen. ‘Er moeten nog veel tests gebeuren. Is het bijvoorbeeld wel veilig om zo’n aardbei te eten die door onze robot is geplukt? Daar is eerst nog een toxische test voor nodig. Veiligheid staat boven alles. Maar daarom geloof ik juist in dit project.’
Foto: VUB-onderzoeker Seppe Terryn. (c) VUB
Lees via deze link nog meer IO-artikelen over robots.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
