Cambridge-onderzoekers ontwikkelen goedkope, zelfherstellende sensoren voor geavanceerde robotica

Goedkope, gelatinachtige materialen, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, kunnen rek, temperatuur en vochtigheid meten. En in tegenstelling tot eerdere zelfherstellende robots kunnen ze zich ook bij kamertemperatuur deels zelf repareren.

Zachte sensortechnologieën

Zachte sensortechnologieën kunnen robotica, tactiele interfaces en draagbare apparaten, onder andere toepassingen, transformeren. De meeste zachte sensortechnologieën zijn echter niet duurzaam en consumeren veel energie.

„Het integreren van zachte sensoren in robotica stelt ons in staat om veel meer informatie van hen te krijgen, net zoals de spanning op onze spieren onze hersenen informatie geeft over de staat van ons lichaam,” zei David Hardman van Cambridges Department of Engineering, eerste auteur van het rapport in het tijdschrift NPG Asia Materials.

EU-gefundeerd SHERO-project

Als onderdeel van het EU-gefundeerde SHERO-project werken Hardman en zijn collega's aan zachte, zelfherstellende materialen voor robotische handen en armen. Deze materialen kunnen detecteren wanneer ze beschadigd zijn, de benodigde stappen ondernemen om zich tijdelijk te herstellen, en vervolgens het werk hervatten – allemaal zonder menselijke tussenkomst.

„We werken al enkele jaren met zelfherstellende materialen, maar nu zoeken we naar snellere en goedkopere manieren om zelfherstellende robots te maken,” zei co-auteur Thomas George-Thuruthel, ook van de Department of Engineering.

Eerdere versies van zelfherstellende robots moesten verwarmd worden om te genezen, maar de Cambridge-onderzoekers ontwikkelen nu materialen die bij kamertemperatuur kunnen genezen, wat ze nuttiger maakt voor realistische toepassingen.

Zout als geleidend component

„We begonnen met een rekbaar, gelatine-gebaseerd materiaal dat goedkoop, biologisch afbreekbaar en biocompatibel is, en voerden verschillende tests uit over het integreren van sensoren in het materiaal door veel geleidende componenten toe te voegen,” zei Hardman.

De onderzoekers vonden dat het printen van sensoren met natriumchloride – zout – in plaats van koolstofinkt resulteerde in een materiaal met de gewenste eigenschappen. Omdat zout oplosbaar is in het met water gevulde hydrogel, biedt het een uniforme kanaal voor iongeleiding – de beweging van ionen.

Bij het meten van de elektrische weerstand van de geprintte materialen vonden de onderzoekers dat veranderingen in rek resulteerden in een zeer lineaire respons, die ze konden gebruiken om de deformaties van het materiaal te berekenen. Het toevoegen van zout maakte ook het meten van rekken van meer dan drie keer de oorspronkelijke lengte van de sensor mogelijk, zodat het materiaal geïntegreerd kan worden in flexibele en rekbare robotische apparaten.

Voordelen van de zelfherstellende hydrogelen

De zelfherstellende hydrogelen zijn goedkoop en eenvoudig te maken, ofwel door 3D-printen of gieten. Ze zijn veel bestaande alternatieven superieur omdat ze lange termijn kracht en stabiliteit vertonen zonder uit te drogen, en volledig gemaakt zijn van wijd beschikbare, voedselveilige materialen.

„Het is een echt goede sensor gezien hoe goedkoop en makkelijk het is om te maken,” zei George-Thuruthel. „We kunnen een hele robot van gelatine maken en de sensoren overal printen waar we ze nodig hebben.”

De zelfherstellende hydrogelen hechten goed aan een scala aan verschillende materialen, wat betekent dat ze gemakkelijk geïntegreerd kunnen worden met andere typen robotica. Veel van het onderzoek in de Bio-Inspired Robotics Laboratory, waar de onderzoekers gebaseerd zijn, richt zich op de ontwikkeling van kunstmatige handen. Hoewel dit materiaal een proof-of-concept is, kan het, indien verder ontwikkeld, geïntegreerd worden in kunstmatige huiden en op maat gemaakte, draagbare en biologisch afbreekbare sensoren.