Onderzoekers van de TU Delft hebben zeer programmeerbare actuatoren ontwikkeld die, vergelijkbaar met de menselijke hand, combineer zachte en harde materialen om complexe bewegingen uit te voeren. Deze materialen hebben een groot potentieel voor zachte robots die veilig en effectief kunnen communiceren met mensen en andere delicate objecten. De wetenschappers rapporteren over hun werk in Materialen Horizons in het nummer van 8 juli.

Zacht

"Robots zijn meestal groot en zwaar. Maar je wilt ook robots die delicaat kunnen handelen, bijvoorbeeld bij het hanteren van zacht weefsel in het menselijk lichaam. Het veld dat dit onderwerp bestudeert, zachte robotica, gaat nu echt van start, " zegt prof. Amir Zadpoor, die het onderzoek heeft begeleid dat is gepresenteerd in Materialen Horizons .

"Wat je echt wilt, is iets dat lijkt op de kenmerken van de menselijke hand, inclusief zachte aanraking, snelle maar nauwkeurige bewegingen, en macht. En dat is waar onze zachte 3D-geprinte programmeerbare materialen naar streven.

Afstembaarheid

Door hun zachte aanraking, zachte robotica kunnen veilig en effectief communiceren met mensen en andere delicate objecten. Er zijn zachte programmeerbare mechanismen nodig om deze nieuwe generatie robots aan te drijven. Flexibele mechanische metamaterialen die werken op basis van mechanische instabiliteit, bieden ongekende functionaliteiten die in hun architectonische structuur zijn geprogrammeerd, waardoor ze potentieel zeer veelbelovend zijn als zachte mechanismen. "Echter, de afstembaarheid van de mechanische metamaterialen die tot nu toe zijn voorgesteld, is zeer beperkt geweest, ", zegt onderzoeker en eerste auteur Shahram Janbaz.

Programmeerbaar

"We presenteren nu enkele nieuwe ontwerpen van ultraprogrammeerbare mechanische metamaterialen waarbij niet alleen de activeringskracht en amplitude, maar ook de activeringsmodus binnen een zeer breed bereik kan worden geselecteerd en afgesteld. We demonstreren ook enkele voorbeelden van hoe deze zachte actuatoren kunnen worden gebruikt in robotica, bijvoorbeeld als krachtschakelaar, kinematische regelaars, en een pick-and-place eindeffector, ' zegt Janbaz.

Knikken

"De functie zit al in het materiaal verwerkt, " legt Zadpoor ​​uit. "Daarom, we moesten dieper kijken naar het fenomeen knikken. Dit werd ooit beschouwd als de belichaming van ontwerpfalen, maar is de afgelopen jaren ingezet om mechanische metamaterialen met geavanceerde functionaliteiten te ontwikkelen. Zachte robotica in het algemeen en zachte actuatoren in het bijzonder zouden veel baat kunnen hebben bij dergelijke designmaterialen. Het ontsluiten van het grote potentieel van knikgestuurde materialen is, echter, afhankelijk van het oplossen van de belangrijkste beperking van de tot nu toe gepresenteerde ontwerpen, namelijk het beperkte bereik van hun programmeerbaarheid. We waren in staat om hogere modi van knikken te berekenen en te voorspellen en het materiaal vatbaar te maken voor deze hogere modi."

3d printen

"Dus, we presenteren multi-materiaal knikgestuurde metamaterialen met een hoge programmeerbaarheid, ", zegt Janbaz. "We combineerden rationele ontwerpbenaderingen op basis van voorspellende rekenmodellen met geavanceerde additieve fabricagetechnieken voor meerdere materialen om cellulaire materialen in 3D te printen met willekeurige verdelingen van zachte en harde materialen in de centrale en hoekdelen van hun eenheidscellen. Gebruikmakend van de geometrie en ruimtelijke verdeling van materiaaleigenschappen als de belangrijkste ontwerpparameters, we hebben zachte mechanische metamaterialen ontwikkeld die zich gedragen als mechanismen waarvan de activeringskracht en de activeringsamplitude kunnen worden aangepast."