Wetenschap

Deze rubberen robotjes leveren ongekende prestaties

De zachte robot van Xu Wang en Denys Makarov vangt een vlieg.

Uit magnetisch rubber maken onderzoekers in Dresden robotjes die ongekende prestaties leveren.

Op tafel ligt een dun velletje rubber, in de vorm van een platte bloem. Daarop landt een vlieg. En voor die in de gaten heeft wat er gebeurt, zijn de rubber bladeren om hem heen gesloten. In 35 milliseconden is het gebeurd.

Dat is acht keer sneller dan de ­Venusvliegenvanger, een bekende vleesetende plant, dit doet. Bovendien kan dit velletje rubber het kunstje miljoenen keren herhalen, terwijl bij de Venusvliegenvanger een blad na tien keer dichtklappen op is en afsterft.

Het rubber gaat na 35 milliseconden weer open en laat de vlieg, die nog altijd niet weet wat hem overkomt, weer gaan.

Magnetisch veld

Het rubber is een robot, die wordt aangestuurd door een magnetisch veld. En zijn snelheid is een opmerkelijk record, dat onlangs werd gepubliceerd in vakblad Communications Materials. Eerste auteur van die ­publicatie is Xu Wang, die promotie­onderzoek doet in het Helmholtz-onderzoekscentrum in Dresden. De vliegenvangende robot werd nog maar twee jaar geleden geboren, vertelt zijn begeleider Denys Makarov. “Bij toeval eigenlijk. We werken hier onder meer aan magnetische composieten die je kunt gebruiken als sensoren. Bijvoorbeeld sensoren waarmee robots beweging en temperatuur kunnen voelen. Die materialen, elastomeren, lijken op rubber, maar ze zijn magnetisch. En we ­zaten aan tafel een beetje met dat materiaal te spelen, toen het onder invloed van een magnetisch veld bleek te buigen. Hé dat is grappig, zei iemand.”

Niet dat de onderzoekers meteen dachten aan een vliegenvanger. Makarov: “We werden gewoon nieuwsgierig. We hadden niet direct een idee van toepassingen, maar wilden gewoon kijken hoe zo’n materiaal zich gedraagt in een veranderend magnetisch veld. Zo’n elastomeer is normaal best dik. Maar als je het ­materiaal dun maakt, blijkt het snel te kunnen reageren op veranderingen in een magnetisch veld. Dat was opwindend. Toen zijn we gaan kijken hoe je dat kunt gebruiken.”

De onderzoekers van het Helmholtz-centrum hebben sindsdien, ­samen met groep van fysicus Martin Kaltenbrunner aan de Johannes ­Kepler Universität in het Oostenrijkse Linz, een hele reeks rubberen robotjes gemaakt, door een polymeer te mengen met magnetische deeltjes (bestaand uit neodymium, ijzer en boor), en dat te laten uitvloeien tot een laagje dat zo dun is als een mensenhaar. 

Zwembewegingen

Uit dat dunne laagje zijn verschillende patronen gesneden, die allemaal hun eigenaardigheden hebben. Zo is er een tweearmig rubbertje, dat onder invloed van een veranderend magnetisch veld eerst zijn rechterarm optilt en daarna zijn linker. Er is er een die zwembewegingen kan maken. En de uitgesneden bloem op de foto kan dus vliegen vangen.

We zijn hier in het land van de zachte robots. Na de giganten van metaal en plastic die aan de lopende band staan, is er een explosie van kleine, zachte robots voor allerlei doeleinden. Hun flexibiliteit geeft zachte robots enorme voordelen.

Ze lenen zich voor werk op bijzondere plaatsen, zoals in en op het menselijk lichaam. Maar als ze daar zelfstandig hun werk moeten doen, zul je een manier moeten vinden om ze aan te drijven. Anders dan de klassieke robots kun je ze niet volstoppen met accu’s, motoren en bedrading. Je hebt andere middelen nodig.

De keuze voor aandrijving met een magnetisch veld lijkt dan niet erg handig. In de ogen van een leek tenminste. Je kunt een magnetisch veld niet richten op één enkel robotje. Stel dat je een situatie hebt waarin een hele zwerm robotjes aan het werk is, dan zullen die allemaal het magnetisch veld voelen dat je genereert. Anders dan een elektrisch signaal, kun je magnetisme niet naar een van die robotjes sturen. Dat is toch niet praktisch?

Makarov: “Het klinkt misschien onwaarschijnlijk, maar het gebruik van een magnetisch veld om robots aan te drijven is juist heel erg praktisch. Een magnetisch veld kent geen obstakels; het gaat overal doorheen en kan moeilijk geblokkeerd worden. Bovendien doen magnetische velden niemand kwaad, de mens voelt ze niet, anders dan elektrische velden.”

En nauwkeurig kan de aansturing met een magnetisch veld ook zijn, zegt Makarov: “Alle robotjes die in de buurt zijn voelen inderdaad ­datzelfde magnetische veld, maar hun interactie kan verschillen.

Want die interactie is niet alleen ­afhankelijk van de eigenschappen van het magnetisch veld maar ook van de eigenschappen van het object, in dit geval robotjes. En die heb je bij het ontwerpen van een robotje in de hand. Dus ook in een en hetzelfde magnetisch veld kan ieder robotje uniek zijn en zijn eigen ding doen.”

Snelle aansturing

Snelheid is een cruciale factor in de aansturing van robots, dus ook hier. En dat is precies het punt waarop de onderzoeksgroep van Makarov forse vooruitgang heeft geboekt. Als je een zwaar materiaal hebt, moet je een sterk magnetisch veld creëren om het in beweging te krijgen. De opbouw van een magnetisch veld kost tijd, en gaat dus ten koste van snelheid en nauwkeurigheid van de aansturing.

Het polymeer van de onderzoekers in Dresden is zo volgepakt met magnetische deeltjes en toch zo licht, dat het met een extreem zwak magnetisch veld al in beweging kan worden gezet. Makarov: “We werken met magnetische velden van rond de 1 millitesla. Dat is sterker dan het magnetisch veld van de aarde, maar zwakker dan de magneetjes die je op je koelkast drukt.” Omdat zo’n zwak veld razendsnel kan worden opgebouwd, zijn de Dresdener robotjes sneller aan te sturen dan een vlieg kan reageren.

Dat is een opmerkelijke prestatie in de zachte robotica, waar deze elastomeren bepaald geen onbekenden zijn. Het magnetische rubber dat voor deze robotjes werd gebruikt bestaat al heel lang, zegt Makarov. Het lijkt op het rubber dat je koelkastdeur dicht houdt. Veel onderzoekers kijken ernaar met het oog op toepassing in zachte robotica.

Lichaamsweefsel repareren

In dat nog jonge onderzoeksveld is er veel wetenschappelijke opwinding, en die kan nu serieuze technologie gaan worden. De resultaten die worden geboekt, zoals in Dresden, stemmen in ieder geval optimistisch, zegt Makarov. “Zulke rubberen robotjes zou je in de toekomst kunnen gebruiken voor biomedische doelen; ze zouden lichaamsweefsel kunnen repareren. Ze kunnen ­onderdeel worden van grotere robotsystemen. En ze kunnen bruikbaar zijn in biologisch onderzoek naar snel bewegende organismen; ze halen snelheden die op veel plekken in de natuur heel gewoon zijn en kunnen model staan om die natuurlijke bewegingen te ontrafelen.”

Om gebruikt te worden, bijvoorbeeld voor biomedische doelen, moeten de robotjes wel iets krijgen wat ze nu nog niet hebben: intelligentie. De modellen die in Dresden op tafel liggen, kunnen armen buigen, zwemmen of dichtklappen. Maar om serieus toegepast te worden moeten ze betrouwbaar kunnen opereren in een veranderlijke omgeving. Makarov: “Dat betekent dat ze sensoren moeten hebben waarmee ze verandering in hun omgeving kunnen meten en hun gedrag in het magnetisch veld kunnen bijsturen. En die sensoren mogen het functioneren van de robot niet storen. Zo ver zijn we nog lang niet. Wat we nu hebben zijn maar stukjes magnetisch rubber hè. Meer is het niet.”

Lees ook:

Wetenschappers creëren een nieuwe vorm van leven

Xenobots, worden ze door hun makers genoemd. Ze zijn een nieuwe vorm van leven, ontworpen door een computer en gebouwd uit kikkercellen.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden