In tegenstelling tot conventionele robotarmen met scharnierende en zwenkbare gewrichten, nieuwe flexibele armen die worden ontwikkeld door professor Stefan Seelecte en zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Saarland, zijn geconstrueerd met behulp van spieren gemaakt van draden met vormgeheugen die in bijna elke richting kunnen buigen en zich om hoeken kunnen winden.

De flexibele armen worden elektrisch aangedreven en kunnen dus zonder de gebruikelijke pneumatische apparatuur of andere omvangrijke accessoires. Omdat de vormgeheugenlegering zelf sensoreigenschappen heeft, de armen kunnen worden bediend zonder dat er extra sensoren nodig zijn. De nieuwe technologie kan worden gebruikt om grote robotarmen te bouwen met de flexibiliteit van een olifantenslurf of ultrafijne tentakels voor gebruik bij endoscopische operaties.

Van 1 tot 5 april het onderzoeksteam zal aanwezig zijn op de Hannover Messe, waar ze prototypes zullen gebruiken om de mogelijkheden van de vormgeheugenarmen te demonstreren op de Saarland Research and Innovation Stand. Het team van Seelecte is op zoek naar partners die geïnteresseerd zijn in het ontwikkelen van de technologie voor praktische toepassingen.

Er zijn functionele grenzen aan de flexibiliteit van zowel menselijke als robotarmen. De gewrichten zijn vaak omvangrijk en verbinden stijve botten of mechanische assemblages. Beweging is meestal beperkt tot bepaalde ruimtelijke richtingen. In tegenstelling tot, een olifantenslurf en octopustentakels bieden een veel grotere behendigheid. De aanwezigheid van tienduizenden spieren stelt deze wezens in staat om de romp of tentakel in alle richtingen te bewegen, om het precies in de juiste mate te buigen en dingen met grote kracht vast te pakken. De ingenieurs van de Universiteit van Saarland hebben zich laten inspireren door deze natuurlijke modellen en ontwikkelen robotarmen die de noodzaak van gewrichten of stijve skeletten of raamwerken overbodig maken. het creëren van structuren die zowel lichtgewicht als extreem soepel zijn.

Professor Stefan Seeecke en zijn team werken samen met onderzoekers van de Technische Universiteit van Darmstadt om dunne, nauwkeurig gecontroleerde kunstmatige tentakels. In de toekomst, het systeem kan worden gebruikt als voerdraad bij hartchirurgie of als endoscoop bij gastroscopische en colonoscopische procedures. De onderzoekers rusten de kunstmatige tentakels daarom uit met extra functies zoals een grijper of een tip met instelbare stijfheid die zorgt voor een verbeterde duwkracht. Maar de technologie kan ook worden opgeschaald om grote robotarmen te produceren die niet verschillen van de slurf van een olifant.

De flexibiliteit van deze nieuwe robotarmen komt van de kunstmatige spieren die worden gebruikt door het onderzoeksteam van Saarbrücken. Deze spieren zijn samengesteld uit ultrafijne nikkel-titanium (nitinol) draden die op een gecontroleerde manier samentrekken en verlengen. De ultrafijne nitinoldraden trekken samen als echte spieren, afhankelijk van of er een elektrische stroom vloeit of niet.

"Nikkel-titanium is een zogenaamde vormgeheugenlegering, wat betekent dat het in staat is om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm na te zijn vervormd. Als er een elektrische stroom door een nitinoldraad loopt, het materiaal warmt op, waardoor het een andere kristalstructuur aanneemt met als gevolg dat de draad korter wordt. Als de stroom is uitgeschakeld, de draad koelt af en wordt weer langer, ", legt professor Seelecke uit.

Zijn team van het Intelligent Material Systems Lab aan de Universiteit van Saarland heeft bundels van deze draden gemaakt die fungeren als kunstmatige spiervezels. "Meerdere ultradunne draden zorgen voor een groot oppervlak waardoor ze warmte kunnen overbrengen, waardoor ze sneller samentrekken. De draden hebben de hoogste energiedichtheid van alle bekende aandrijfmechanismen. En ze kunnen een zeer hoge trekkracht uitoefenen over een korte afstand, " legt Selecke uit, die ook onderzoek doet bij ZeMA, het Centrum voor Mechatronica en Automatiseringstechnologie in Saarbrücken. Het onderzoeksteam van ZeMA ontwikkelt een reeks toepassingen voor deze draden, van nieuwe koelsystemen tot nieuwe soorten kleppen en pompen.

Voor de robotarmen, de onderzoekers verbinden de draadbundels zodat ze fungeren als buig- of strekspieren, die, werken in overleg, een vloeiende beweging produceren. "De tentakels die in de toekomst zouden kunnen worden gebruikt als medische katheters of bij endoscopische procedures hebben een diameter van slechts ongeveer 300 tot 400 micrometer. Geen enkel ander aandrijfsysteem is van vergelijkbare grootte. Eerdere systemen die werden gebruikt voor katheterprocedures waren aanzienlijk groter en dit had de neiging om te beperken hun mogelijkheden, " legt Paul Motzki uit, die zijn proefschrift schreef over de vormgeheugendraden en onderzoeksassistent is in de groep van professor Seelecte.

De nieuwe tentakels kunnen zeer nauwkeurig worden bestuurd en kunnen worden gebruikt om multifunctionele gereedschappen te maken. Bijvoorbeeld, de distale punt van de tentakel kan worden gemaakt om een ​​duwende beweging uit te voeren. Het exacte bewegingspatroon dat nodig is, wordt door de onderzoekers gemodelleerd en vervolgens geprogrammeerd op een halfgeleiderchip. En het systeem heeft geen andere sensoren nodig. De draden zelf leveren alle benodigde gegevens. "Het materiaal waaruit de draden zijn gemaakt, heeft sensorische eigenschappen. De controllereenheid kan de elektrische weerstandsgegevens interpreteren, zodat hij op elk moment de exacte positie en oriëntatie van de draden kent, ', zegt Paul Motzki.

In tegenstelling tot conventionele robotarmen die stroom nodig hebben van een elektromotor of van een pneumatisch of hydraulisch systeem, de armen hebben zo'n zwaar materieel niet nodig, alleen elektrische stroom. "Dit maakt het systeem licht, zeer aanpasbaar en stil te bedienen, en het betekent dat de productiekosten relatief laag zijn, ", zegt professor Seelecte. Het onderzoeksteam zal hun systeemprototypes tentoonstellen op de Hannover Messe en het potentieel van deze nieuwe continuüm-robotarmen demonstreren.