Soft Sensing, zelfherstellende materialen voor robothanden en -armen

Goedkope gelei-achtige materialen, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, kunnen spanning, temperatuur en vochtigheid detecteren. En in tegenstelling tot eerdere zelfgenezende robots, kunnen ze zichzelf ook gedeeltelijk repareren bij kamertemperatuur.

Soft sensing-technologieën kunnen onder andere robotica, tactiele interfaces en draagbare apparaten transformeren. De meeste soft sensing-technologieën zijn echter niet duurzaam en verbruiken veel energie.

"Door zachte sensoren in robotica op te nemen, kunnen we er veel meer informatie van krijgen, zoals hoe onze spieren onze hersenen in staat stellen informatie te krijgen over de toestand van ons lichaam", zegt David Hardman van Cambridge's Department of Engineering, de eerste auteur van het artikel gerapporteerd in het tijdschrift NPG Asia Materials.

Als onderdeel van het door de EU gefinancierde SHERO-project hebben Hardman en zijn collega's gewerkt aan de ontwikkeling van zacht aanvoelende, zelfherstellende materialen voor robothanden en -armen. Deze materialen kunnen detecteren wanneer ze beschadigd zijn, de nodige stappen ondernemen om zichzelf tijdelijk te genezen en vervolgens het werk hervatten - en dat allemaal zonder dat menselijke interactie nodig is.

"We werken al enkele jaren met zelfherstellende materialen, maar nu onderzoeken we snellere en goedkopere manieren om zelfherstellende robots te maken", zegt co-auteur Thomas George-Thuruthel, ook van het Department of Engineering.

Eerdere versies van de zelfherstellende robots moesten worden verwarmd om te genezen, maar de Cambridge-onderzoekers ontwikkelen nu materialen die bij kamertemperatuur kunnen genezen, waardoor ze nuttiger zouden zijn voor toepassingen in de echte wereld.

"We zijn begonnen met een rekbaar, op gelatine gebaseerd materiaal dat goedkoop, biologisch afbreekbaar en biocompatibel is en hebben verschillende tests uitgevoerd om sensoren in het materiaal te integreren door veel geleidende componenten toe te voegen", aldus Hardman.

De onderzoekers ontdekten dat het printen van sensoren die natriumchloride - zout - bevatten in plaats van koolstofinkt, resulteerde in een materiaal met de eigenschappen waarnaar ze op zoek waren. Omdat zout oplosbaar is in de met water gevulde hydrogel, biedt het een uniform kanaal voor ionengeleiding - de beweging van ionen.

Bij het meten van de elektrische weerstand van de gedrukte materialen, ontdekten de onderzoekers dat veranderingen in spanning resulteerden in een zeer lineaire respons, die ze konden gebruiken om de vervormingen van het materiaal te berekenen. Door zout toe te voegen, konden ook rekken worden gedetecteerd die meer dan drie keer de oorspronkelijke lengte van de sensor waren, zodat het materiaal kan worden verwerkt in flexibele en rekbare robotapparaten.

De zelfherstellende materialen zijn goedkoop en gemakkelijk te maken, zowel door 3D-printen als door gieten. Ze hebben de voorkeur boven veel bestaande alternatieven, omdat ze op lange termijn sterk en stabiel zijn zonder uit te drogen, en ze zijn volledig gemaakt van algemeen beschikbare voedselveilige materialen.

"Het is echt een goede sensor als je bedenkt hoe goedkoop en gemakkelijk het is om te maken", zegt George-Thuruthel. "We zouden een hele robot van gelatine kunnen maken en de sensoren kunnen printen waar we ze nodig hebben."

De zelfherstellende hydrogels hechten goed aan een reeks verschillende materialen, wat betekent dat ze gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd met andere soorten robotica. Zo is veel van het onderzoek in het Bio-Inspired Robotics Laboratory, waar de onderzoekers gevestigd zijn, gericht op de ontwikkeling van kunstmatige handen. Hoewel dit materiaal een proof-of-concept is, kan het, als het verder wordt ontwikkeld, worden verwerkt in kunstmatige huiden en op maat gemaakte draagbare en biologisch afbreekbare sensoren.