'Origami-robots' zijn ultramoderne zachte en flexibele robots die worden getest voor gebruik in verschillende toepassingen, waaronder medicijnafgifte in menselijke lichamen, zoek- en reddingsmissies in rampgebieden en humanoïde robotarmen.

Omdat deze robots flexibel moeten zijn, ze zijn vaak gemaakt van zachte materialen zoals papier, kunststof en rubber. Functioneel zijn, sensoren en elektrische componenten worden vaak bovenop toegevoegd, maar deze voegen massa toe aan de apparaten.

Nutsvoorzieningen, een team van NUS-onderzoekers heeft een nieuwe methode ontwikkeld om een ​​nieuw op metaal gebaseerd materiaal te maken voor gebruik in deze zachte robots.

Het combineren van metalen zoals platina met verbrand papier (as), het nieuwe materiaal heeft verbeterde mogelijkheden met behoud van de vouwbaarheid en lichtgewicht eigenschappen van traditioneel papier en plastic. In feite, het nieuwe materiaal is half zo licht als papier, wat het ook energiezuiniger maakt.

Deze eigenschappen maken dit materiaal een sterke kandidaat voor het maken van flexibele en lichte prothetische ledematen die wel 60 procent lichter kunnen zijn dan hun conventionele tegenhangers. Dergelijke prothesen kunnen realtime spanningsdetectie bieden om feedback te geven over hoeveel ze buigen, waardoor gebruikers meer controle en directe informatie krijgen - en dat allemaal zonder de noodzaak van externe sensoren die anders ongewenst gewicht aan de prothese zouden toevoegen.

Deze lichtgewicht metalen ruggengraat is minstens drie keer lichter dan conventionele materialen die worden gebruikt om origami-robots te maken. Het is ook energiezuiniger, waardoor origami-robots sneller kunnen werken met 30 procent minder energie. Verder, het nieuwe materiaal is brandwerend, waardoor het geschikt is voor het fabriceren van robots die in ruwe omgevingen werken, omdat het tot 5 minuten bestand is tegen verbranding bij ongeveer 800 ° C.

Als bijkomend voordeel, het nieuwe geleidende materiaal heeft on-demand geothermische verwarmingsmogelijkheden - door een spanning door het materiaal te sturen, wordt het opgewarmd, wat helpt om ijsschade te voorkomen wanneer een robot in een koude omgeving werkt. Deze eigenschappen kunnen worden gebruikt bij het creëren van licht, flexibele zoek- en reddingsrobots die gevaarlijke gebieden kunnen betreden terwijl ze realtime feedback en communicatie bieden.

Onderzoeksdoorbraak gepubliceerd in prestigieuze Wetenschap Robotica logboek

Het op metaal gebaseerde materiaal wordt geproduceerd via een nieuw proces dat door het team is ontwikkeld en dat 'grafeenoxide-enabled templating-synthese' wordt genoemd. Cellulosepapier wordt eerst gedrenkt in een grafeenoxide-oplossing, voordat u het in een oplossing van metaalionen zoals platina dompelt. Het materiaal wordt vervolgens verbrand in een inert gas, argon, bij 800°C en daarna bij 500°C in lucht.

Het eindproduct is een dunne laag metaal - 90 micrometer (μm), of 0,09 mm - bestaande uit 70 procent platina en 30 procent amorfe koolstof (as) die flexibel genoeg is om te buigen, vouw, en strekken. Deze belangrijke onderzoeksdoorbraak werd gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap Robotica op 28 augustus 2019. Ook andere metalen zoals goud en zilver kunnen worden gebruikt.

Teamleider Universitair Docent Chen Po-Yen gebruikte voor zijn onderzoek een uitgesneden cellulosesjabloon in de vorm van een feniks. "We zijn geïnspireerd door het mythische wezen. Net als de feniks, het kan worden verbrand tot as en herboren om krachtiger te worden dan voorheen, " zei Asst Prof Chen, van de NUS-afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering.

Geleidende ruggengraat voor slimmere origami-robots

Het materiaal van het team kan mechanisch stabiel, zacht, en geleidende backbones die robots uitrusten met spanningsdetectie en communicatiemogelijkheden zonder dat er externe elektronica nodig is. Omdat het geleidend is, fungeert het materiaal als zijn eigen draadloze antenne, waardoor het kan communiceren met een externe operator of andere robots zonder dat externe communicatiemodules nodig zijn. Dit vergroot de reikwijdte van origami-robots, zoals werken in risicovolle omgevingen (bijv. chemische lekkages en brandrampen) als ongebonden robots op afstand of functioneren als kunstmatige spieren of humanoïde robotarmen.

"We hebben geëxperimenteerd met verschillende elektrisch geleidende materialen om uiteindelijk een unieke combinatie te verkrijgen die optimale spanningsdetectie en draadloze communicatiemogelijkheden bereikt. Onze uitvinding breidt daarom de bibliotheek van onconventionele materialen uit voor de fabricage van geavanceerde robots, " zei meneer Yang Haitao, doctoraatsstudent aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en de eerste auteur van de studie.

In de volgende stappen van hun onderzoek, Asst Prof Chen en zijn team kijken naar het toevoegen van meer functies aan de metalen ruggengraat. Een veelbelovende richting is om elektrochemisch actieve materialen op te nemen om apparaten voor energieopslag te fabriceren, zodat het materiaal zelf zijn eigen batterij is, waardoor het mogelijk is om zelfaangedreven robots te creëren. Het team experimenteert ook met andere metalen zoals koper, wat de kosten van de productie van het materiaal zal verlagen.