Zelfhelende robot kan nu ook voelen

Een paar blauwe plekken, een hersenschudding en een gekneusde rib betekenden het abrupte einde van een van mijn ritjes door Vlaanderen deze zomer. Pijnlijk, maar gelukkig genezen deze ‘beschadigingen’ na een paar dagen tot weken vanzelf. Mijn smartphone zal mij jammer genoeg blijven herinneren aan deze onfortuinlijke dag. Hoe lang ik ook wacht, de barst in mijn scherm zal nooit genezen.

Wat vanzelfsprekend lijkt voor de mens, blijkt een uitdaging voor niet-natuurlijke voorwerpen. Zo ook voor robots. In het roboticalabo van de Vrije Universiteit Brussel gebruiken we de natuur als inspiratiebron, en ontwikkelen we robots die wél kunnen genezen van schade.

.

Zelfhelende zachte robots met sensoren (zwarte U-vormige lijnen) kunnen bijvoorbeeld ingezet worden in de fruitpluk.

Sensoren

Ik slaagde er nu ook in om zelfherstellende sensoren voor hun robots te ontwikkelen. Op dit moment laten deze sensoren de robot toe om hun eigen vervorming te bepalen. Dat is nodig om hun positie beter te controleren. Ook de kracht waarmee ze een voorwerp vastgrijpen, kunnen ze dankzij deze sensoren meten. Hierdoor kunnen ze nauwkeuriger grijpen, zeker wanneer het gaat om kwetsbare voorwerpen.

De pijn na mijn zomerse valpartij hield me enkele dagen aan mijn bed gekluisterd. Mijn lichaam gaf me het teken dat het tijd nodig had om te herstellen. Voorlopig kunnen deze zachte, zelfherstellende robots nog geen pijn voelen, maar dankzij de ontwikkeling van zelfherstellende sensoren, hopen we dat onze robots binnenkort zelf kunnen aangeven wanneer ze even opgewarmd moeten worden om te genezen.

Voorlopig is dat nog toekomstmuziek. Maar ik loste wel een belangrijke tussenstap op: ik zorgde ervoor dat ook de sensoren voor deze zelfhelende robots kunnen genezen na schade.

Zachthandigheid

We focussen ons voornamelijk op robots gemaakt uit zachte, rubberachtige materialen. Het zijn net deze robots die dankzij hun zachtheid extra kwetsbaar zijn. In een fabriek zul je deze nieuwe generatie robots dus nog niet snel terugvinden. Wel maakt deze zachtheid ze veiliger in de omgang met mensen dan de traditionele harde plastic of metalen robots.

Fruit plukken is een andere toepassing waarvoor deze zachthandige robots interessant kunnen zijn. Een zachte robothand zal een aardbei of framboos minder snel beschadigen dan een harde. Uitstekende takken of doornen vormen daarbij nog een extra uitdaging voor deze kwetsbare robots. Door ze te laten genezen na schade, kunnen we hun levensduur verlengen.

Moleculaire lego

Zogenaamde zelfherstellende polymeren vormen de sleutel tot het genezingsproces. Deze rubberachtige materialen kunnen schade herstellen onder invloed van warmte. Vele typische rubbers zoals die in autobanden en elastiekjes, bestaan uit moleculen die aan elkaar vasthangen met permanente bindingen en zo een netwerk vormen. Eens beschadigd, kunnen deze bindingen niet opnieuw vormen. Een elastiekje dat kapot is, blijft kapot.

De moleculen in de zelfherstellende materialen hangen vast met zogenaamde thermo-reversibele covalente bindingen. Deze sterke chemische bindingen zijn dus omkeerbaar door gebruik te maken van warmte. Ze kunnen vasthangen of open zijn, net zoals Legosteentjes. Bij een beschadiging breken deze zwakkere omkeerbare bindingen als eerste. Tijdens het genezingsproces zullen deze bindingen zich opnieuw vormen.

Hiervoor is warmte nodig. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer bindingen zich openen. Deze geopende bindingen kunnen zich vrijer doorheen het materiaal bewegen en zich op een andere plaats opnieuw vasthechten als de temperatuur daalt. Ook op de plaats waar het materiaal beschadigd was.

.

De verbindingen tussen de moleculen zijn als moleculaire lego en kunnen open- of dichtklikken. Op kamertemperatuur kan het materiaal in zijn toepassing gebruikt worden. Voor het genezingsproces is een verhoogde temperatuur nodig (ongeveer 80°C) en klikken sommige bindingen open. Verhogen we de temperatuur verder (ongeveer 110°C), worden er zo veel bindingen geopend dat het vloeibaar wordt. Dit laat herverwerking of recyclage toe.

Door met de chemische eigenschappen van de materialen te spelen, hebben we ondertussen een heuse moleculaire Legoset van zachtere en hardere materialen ontwikkeld. Voor mijn elektrische sensoren is een materiaal nodig dat zowel zelfhelend als elektrisch geleidend is. Hiervoor mengde ik met succes geleidende koolstofdeeltjes door de reeds bestaande zelfhelende materialen. De bindingen zelf, de ‘nopjes’ van de lego, veranderen hierbij niet. Dit maakt het eenvoudig om verschillende materialen te combineren, en zo complexere robots te bouwen.

Een bijkomend voordeel aan deze materialen is hun recycleerbaarheid. Terwijl typische rubbers niet of moeilijk te recycleren zijn, laten deze omkeerbare bindingen recyclage wel toe. Door de temperatuur verder te verhogen en nog meer bindingen te openen, wordt het materiaal vloeibaar. Dit laat toe om de robot als het ware om te smelten tot een nieuw voorwerp wanneer die onherstelbaar beschadigd of gewoon niet meer nodig is.

Ellen Roels dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2023. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.