Zwaar beschadigde robot geneest vanzelf

Over 10 jaar zullen robots niet meer weg te denken zijn uit ons dagelijks leven. In tegenstelling tot de huidige situatie, waarin ze bijna uitsluitend functioneren in gecontroleerde industriële omgevingen, zullen robots ons bijstaan in een veel bredere context. Robots zullen ons dan assisteren op tal van plaatsen zoals in ziekenhuizen, in woonzorgcentra, in onze woning, op bouwwerven, in transport en in de agricultuur. In contrast met een gestructureerde fabrieksomgeving, zijn de omstandigheden hier onvoorspelbaar. De nieuwe robots zullen regelmatig in situaties terecht komen waarin ze beschadigd worden door onverwachte botsingen, contact met scherpe voorwerpen of door overbelasting. Traditioneel lossen we dit probleem op door ze sterker, harder of groter te maken maar dit leidt tot over-gedimensioneerde robots die te groot of te zwaar zijn in vergelijking met de taak die ze moeten uitvoeren, en bijgevolg inefficiënt zijn.

Geïnspireerd door de natuur

In mijn doctoraat pakte ik dit probleem op een volledig nieuwe manier aan. Het menselijk lichaam is niet over-gedimensioneerd, integendeel, het is uitermate efficiënt, maar tegelijk ook kwetsbaar. Jij bezeert je waarschijnlijk bijna dagelijks, maar gelukkig kan je rekenen op je genezend vermogen. Het is wonderbaarlijk hoe ons lichaam volledig kan herstellen, zowel van kleine wondjes in de huid als van zeer grote kwetsuren zoals een spierscheur of een beenbreuk. Dit helende principe introduceerde ik voor het eerst in de robotica, door robothanden te maken uit zelfherstellende materialen, kunststoffen die op een soortgelijke manier kunnen “genezen”.

In de robothand kunnen grote beschadigingen volledig genezen worden.

De hersteltijd van het materiaal hangt af van de omvang en de plaats van de beschadiging en varieert van enkele uren tot dagen. Om deze bijzondere eigenschap in de verf te zetten, sneed ik één van de robotvingers volledig doormidden en bracht de stukken opnieuw samen. Zelfs deze zware beschadiging herstelde volledig in enkele dagen. Volledig herstel betekent dat, na het genezingsproces, alle functionaliteiten zoals bijvoorbeeld vermogen en maximumkracht, identiek zijn als voorheen. Met andere woorden, de vinger is weer zo goed als nieuw.

Het integreren van een zelf herstellend vermogen kan de levensduur van robotonderdelen enorm verlengen, zonder ze te over dimensioneren. Dit is economisch interessant aangezien de herstellingskosten sterk verminderen. Bovendien verlaagt de ecologische voetafdruk door de langere levensduur. Daarnaast zijn de nieuwe materialen die ik gebruik volledig recycleerbaar, in tegenstelling tot traditionele materialen die we in de robotica gebruiken. Recycleerbaarheid kan verder de ecologische impact van toekomstige zelfherstellende robots verlagen. Ik ben ervan overtuigd dat er met dit onderzoek een stevige stap gezet wordt richting het introduceren van robots in onze directe omgeving en dit op een efficiënte, economische en ecologische manier.

Genezen door reversibele chemische bindingen

Samen met andere materiaalkundigen op de Vrije Universiteit Brussel ontwikkel ik synthetische zelf-herstellende materialen. Dit zijn netwerk-polymeren, die zich gedragen als een elastiek en dus rekbaar zijn. In het netwerk vind je speciale chemische bindingen die “reversibel” zijn. Wanneer die breken kunnen ze opnieuw gevormd worden. Deze “Diels-Alder” bindingen vormen de basis van de herstellende eigenschap. Door op moleculaire schaal geleidelijk opnieuw verbindingen te maken en het netwerk weer op te bouwen, kan een scheur, breuk of snede genezen. De zelfherstellende eigenschap is vooral interessant voor de volgende generatie robots, die zacht zullen zijn.

Door reversibele bindingen op moleculaire schaal kan een snede geleidelijk aan dichten.

Waarom moeten robots zachter?

Vaak spreken specialisten over de grote robot revolutie die er zit aan te komen. Maar hoe vaak kom jij een robot tegen op straat, op je werk of in een winkel? Er zijn tegenwoordig wel al veel robots actief, meer bepaald 3 miljoen, maar deze opereren voornamelijk in de productie-industrie. Deze robotmanipulatoren, de typische mechanische armen, functioneren in geautomatiseerde processen, waarin ze zeer nauwkeurige taken heel snel uitvoeren. Zo zorgen ze bijvoorbeeld voor een snelle productie van auto’s in de automobielindustrie. Maar ze zijn ook gevaarlijk, aangezien ze enerzijds groot en zwaar zijn, maar vooral omdat ze bestaan uit harde, metalen onderdelen. Een botsing met een fabriekswerknemer kan leiden tot ernstige verwondingen of zelfs een dodelijk ongeluk. Contact tussen mens en robot wordt vermeden door de robots af te schermen in kooien. In de toekomst zullen robots ook dichter bij ons gaan functioneren, bijgevolg, is er nood aan een veiligere volgende generatie robots.

Industriële robots zijn meestal gevaarlijk en contact met mensen is uitgesloten. De zachte robot Probo is veiliger.

Uit deze noodzaak ontstond een paar jaar geleden een nieuwe klasse robots, de “soft robotics”. Zachte robots, zoals de knuffelrobot Probo, zijn gemaakt uit flexibele kunststoffen, elastische polymeren, zoals silicone of rubber. Door hun intrinsieke flexibiliteit, kunnen soft robots op een veilige manier interageren met andere zachte materialen zoals ons lichaam. Dit maakt ze ideale kandidaten voor toepassingen waarin robots nauw moeten samenwerken met mensen, zoals in de zorgsector. Maar omdat deze nieuwe robots zacht zijn, zijn ze extra gevoelig voor beschadigingen. Daarom focus ik vooral op het maken van zelfherstellende zachte robots.

Soft robots maken zonder enig gevaar contact met andere zachte materie.

Zachte robots zijn kwetsbaar.

Een breed toepassingsgebied

Naast de robothanden ontwikkelde ik ook soft grippers voor de voedingsindustrie. Door hun flexibiliteit zijn deze grijpers ideaal om delicate groenten en fruit met de nodige zorg te plukken. Hierbij raken ze vaak beschadigd door scherpe doornen en takken. Tot slot maakte ik artificiële spieren, die robotsystemen zoals “exoskeletons” en protheses kunnen aandrijven. Bij overbelasting barsten deze geregeld. Ook deze grijpers en spieren beschadigde ik meermaals met allerhande scherpe voorwerpen, maar konden net zoals de handen steeds volledig herstellen. Door deze reeks prototypes benadruk ik het fascinerende potentieel van zelfherstellende soft robots voor industriële en commerciële toepassingen. Het onderzoek gaat momenteel verder in twee Europese projecten SHeRo (http://www.sherofet.eu/) en SMART (http://www.smartitn.eu/).

Seppe Terryn is genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup. Ontdek meer over zijn onderzoek op www.phdcup.be.