Vroeger waren robots beperkt tot zwaar tillen of fijn detailwerk in fabrieken. Nu de wendbare vierbenige robot van Boston Dynamics, Plek, is beschikbaar voor bedrijven om te leasen om verschillende echte banen uit te voeren, een teken van hoe vaak interacties tussen mens en machine de afgelopen jaren zijn geworden.

En hoewel Spot veelzijdig en robuust is, het is waar de samenleving aan denkt als een traditionele robot, een mix van metaal en hard plastic. Veel onderzoekers zijn ervan overtuigd dat zachte robots die in staat zijn tot veilige fysieke interactie met mensen, bijvoorbeeld het bieden van hulp in huis door voorwerpen vast te pakken en te verplaatsen - zal zich bij harde robots voegen om de toekomst te bevolken.

Zachte robotica en draagbare computers, zowel technologieën die veilig zijn voor menselijke interactie, zullen nieuwe soorten materialen vereisen die zacht en rekbaar zijn en een breed scala aan functies vervullen. Mijn collega's en ik van het Soft Machines Lab van de Carnegie Mellon University ontwikkelen deze multifunctionele materialen. Samen met medewerkers, we hebben onlangs zo'n materiaal ontwikkeld dat de eigenschappen van metalen op unieke wijze combineert, zachte rubbers en materialen met vormgeheugen.

Deze zachte multifunctionele materialen, zoals we ze noemen, elektriciteit geleiden, schade op te sporen en zichzelf te genezen. Ze kunnen ook aanraking voelen en hun vorm en stijfheid veranderen als reactie op elektrische stimulatie, als een kunstmatige spier. Op veel manieren, het is wat de baanbrekende onderzoekers Kaushik Bhattacharya en Richard James beschreven:"het materiaal is de machine."

Materialen intelligent maken

Dit idee dat het materiaal de machine is, kan worden gevat in het concept van belichaamde intelligentie. Deze term wordt meestal gebruikt om een ​​systeem van materialen te beschrijven die onderling verbonden zijn, zoals pezen in de knie. Tijdens het hardlopen, pezen kunnen zich uitrekken en ontspannen om zich aan te passen telkens wanneer de voet de grond raakt, zonder de noodzaak van enige neurale controle.

Het is ook mogelijk om belichaamde intelligentie te bedenken in een enkel materiaal - een materiaal dat kan voelen, verwerken en reageren op zijn omgeving zonder ingebouwde elektronische apparaten zoals sensoren en verwerkingseenheden.

Een eenvoudig voorbeeld is rubber. Op moleculair niveau, rubber bevat strengen moleculen die opgerold en aan elkaar zijn gekoppeld. Het uitrekken of comprimeren van rubber beweegt en ontrolt de snaren, maar hun schakels dwingen het rubber terug te stuiteren naar zijn oorspronkelijke positie zonder permanent te vervormen. Het vermogen van rubber om zijn oorspronkelijke vorm te "kennen" zit vervat in de materiaalstructuur.

Omdat technische materialen van de toekomst die geschikt zijn voor mens-machine-interactie multifunctionaliteit vereisen, onderzoekers hebben geprobeerd nieuwe niveaus van belichaamde intelligentie in te bouwen in materialen zoals rubber. Onlangs, mijn collega's creëerden zelfherstellende circuits ingebed in rubber.

Ze begonnen met het verspreiden van vloeibare metalen druppeltjes op microschaal gewikkeld in een elektrisch isolerende "huid" door siliconenrubber. In originele staat, de dunne metaaloxidelaag van de huid voorkomt dat de metaaldruppels elektriciteit geleiden.

Echter, als het metaal-ingebedde rubber aan genoeg kracht wordt onderworpen, de druppeltjes zullen scheuren en samenvloeien om elektrisch geleidende paden te vormen. Alle elektrische leidingen die in dat rubber zijn gedrukt, worden zelfherstellend. In een aparte studie, ze toonden aan dat het mechanisme voor zelfgenezing ook kan worden gebruikt om schade op te sporen. Nieuwe elektrische leidingen vormen zich in de gebieden die beschadigd zijn. Als er een elektrisch signaal doorkomt, dat geeft de schade aan.

De combinatie van vloeibaar metaal en rubber gaf het materiaal een nieuwe route om zijn omgeving te voelen en te verwerken, dat wil zeggen:een nieuwe vorm van belichaamde intelligentie. Door de herschikking van het vloeibare metaal kan het materiaal "weten" wanneer er schade is opgetreden vanwege een elektrische reactie.

Vormgeheugen is een ander voorbeeld van belichaamde intelligentie in materialen. Het betekent dat materialen omkeerbaar kunnen veranderen in een voorgeschreven vorm. Vormgeheugenmaterialen zijn goede kandidaten voor lineaire beweging in zachte robotica, in staat om heen en weer te bewegen zoals je biceps spier. Maar ze bieden ook unieke en complexe vormveranderende mogelijkheden.

Bijvoorbeeld, twee groepen materiaalwetenschappers hebben onlangs aangetoond hoe een materiaalklasse omkeerbaar kan veranderen van een plat rubberachtig vel in een 3D-topografische kaart van een gezicht. Het is een prestatie die moeilijk zou zijn met traditionele motoren en tandwielen, maar het is eenvoudig voor deze klasse van materialen vanwege de belichaamde intelligentie van het materiaal. De onderzoekers gebruikten een klasse materialen die bekend staat als vloeibare kristalelastomeren, die soms worden beschreven als kunstmatige spieren omdat ze kunnen strekken en samentrekken met de toepassing van een stimulus zoals warmte, licht, of elektriciteit.

Alles op een rijtje

Door inspiratie te putten uit het vloeibare metaalcomposiet en het vormveranderende materiaal, mijn collega's en ik hebben onlangs een zacht composiet gemaakt met ongekende multifunctionaliteit.

Het is zacht en rekbaar, en het kan warmte en elektriciteit geleiden. Het kan actief van vorm veranderen, in tegenstelling tot gewoon rubber. Omdat onze composiet gemakkelijk elektriciteit geleidt, de vormverandering kan elektrisch worden geactiveerd. Omdat het zacht en vervormbaar is, het is ook bestand tegen aanzienlijke schade. Omdat het elektriciteit kan geleiden, het composiet kan communiceren met traditionele elektronica en dynamisch reageren op aanraking.

Verder, onze composiet kan zichzelf genezen en schade op een geheel nieuwe manier detecteren. Schade creëert nieuwe elektrisch geleidende lijnen die vormverandering in het materiaal activeren. Het composiet reageert door spontaan samen te trekken wanneer het wordt doorboord.

In de film "Terminator 2:Judgement Day, " de vormveranderende Android T-1000 kan vloeibaar worden; kan van vorm veranderen, kleur, en textuur; is immuun voor mechanische schade; en toont bovenmenselijke kracht. Zo'n complexe robot vraagt ​​om complexe multifunctionele materialen. Nutsvoorzieningen, materialen die kunnen voelen, verwerken en reageren op hun omgeving, zoals deze vormveranderende composieten een realiteit beginnen te worden.

Maar in tegenstelling tot T-1000 zijn deze nieuwe materialen geen kracht voor het kwaad - ze effenen de weg voor zachte hulpmiddelen zoals protheses, metgezel robots, exploratietechnologieën op afstand, antennes die van vorm kunnen veranderen en nog veel meer toepassingen die ingenieurs nog niet eens hebben bedacht.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.