Pneumatic neurons for soft robots enable inflate-and-fire networks for rhythmic motion

In de natuurlijke wereld voelt beweging vaak als een gesprek tussen het lichaam en de omgeving. Een worm die door de grond kruipt of een insect dat over een blad navigeert, vertrouwt niet op één centraal brein dat elke opdracht uitgeeft. In plaats daarvan gebruiken deze wezens gedistribueerde netwerken van zenuwen die langs hun lichaam lopen, waardoor verschillende segmenten kunnen reageren op lokale omstandigheden terwijl ze toch in een gecoördineerd ritme bewegen. Deze biologische strategie, bekend als een centrale patroongenerator, zorgt voor veerkracht en aanpassingsvermogen; als één deel van het systeem wordt verstoord, kan de rest zich vaak aanpassen zonder dat er een top-down bevel nodig is. Soft robotics, een vakgebied dat zich toelegt op het bouwen van machines van flexibele, meegaande materialen in plaats van rigide metaal en plastic, probeert al lang dit soort gedecentraliseerde intelligentie te imiteren. De meeste soft robots van vandaag zijn echter nog steeds afhankelijk van omvangrijke externe pompen en complexe elektronische controllers om hen te vertellen wanneer ze moeten bewegen, wat hun vermogen beperkt om onafhankelijk te opereren in afgelegen of delicate omgevingen.

Onderzoekers aan de University of California, San Diego hebben een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een soft robot te creëren die zichzelf bestuurt met dezelfde principes die in de natuur worden gevonden, maar zonder digitale elektronica. Ze ontwikkelden een nieuw type soft module dat ze een "pneumatische neuron" noemen, die functioneert als een zelfstandige eenheid die tegelijkertijd kan waarnemen, denken en handelen. Door deze modules aan elkaar te koppelen in een ring, creëerde het team een systeem dat zijn eigen ritmische beweging genereert, vergelijkbaar met het zenuwstelsel van een worm. De robot beweegt door zijn segmenten op te blazen en leeg te laten lopen in een voortbewegende golf, aangedreven door de fysica van hitte en druk in plaats van door een computerprogramma. Deze aanpak stelt de robot in staat om zijn beweging aan te passen aan veranderingen in temperatuur of fysieke belasting door simpelweg te reageren op zijn omgeving, wat een nieuwe weg biedt naar machines die even robuust en autonoom zijn als de levende wezens die ze nabootsen.

De kern van deze uitvinding is een kleine, zachte zak gevuld met een speciale vloeistof die bij een zeer lage temperatuur kookt. In elke zak zit een piekle kleine heater en een mechanische schakelaar gemaakt van flexibel plastic. Wanneer er elektriciteit naar de heater stroomt, verandert de vloeistof in de zak in gas, waardoor de zak uitzet. Deze expansie is niet alleen een beweging; het is ook een signaal. Terwijl de zak opzwelt, drukt deze tegen de interne mechanische schakelaar. De schakelaar is ontworpen met twee duidelijke drempelwaarden: een lager punt waar hij de stroom naar de vorige module onderbreekt, en een hoger punt waar hij stroom naar de volgende module in de lijn stuurt. Dit creëert een cyclus die de onderzoekers "opblazen-en-vuren" noemen. De module zwelt op, triggert zijn buurman, en koelt vervolgens af, waardoor het gas weer vloeibaar wordt zodat de cyclus opnieuw kan beginnen. Omdat de vloeistof bij zo'n lage temperatuur kookt, kan het systeem met zeer weinig energie werken, en omdat de schakelaar mechanisch is, heeft het geen microchips of software nodig om te functioneren.

Om te testen of deze individuele modules samen complexe beweging konden produceren, verbonden de onderzoekers ze in een ring. Ze ontdekten dat de modules drie specifieke acties moesten uitvoeren om een stabiele, herhalende bewegingsgolf te produceren: ze moesten de volgende module exciteren, de vorige inhiberen, en hun eigen staat vasthouden totdat de volgende module klaar was om het stokje over te nemen. Zonder al deze drie gedragingen zou het systeem ofwel vast komen te zitten in één opgeblazen staat, of het signaal zou uitdoven voordat het rond de ring kon reizen. Toen het team een ring van slechts drie modules bouwde, genereerde deze succesvol een continue voortbewegende golf. Op elk gegeven moment waren twee van de drie modules actief en warm, waarbij ze het signaal in een naadloze lus doorgeven. Deze "twee-hete" staat stelde de robot in staat om zijn ritme onbeperkt te handhaven zolang hij een energiebron had, wat bewees dat het netwerk zichzelf kon organiseren zonder een centraal brein.

De ware kracht van dit systeem ligt in zijn vermogen om zich aan te passen aan de fysieke wereld. De onderzoekers testten de robot door gewichten toe te voegen aan specifieke modules en door de temperatuur van de omgeving te veranderen. Wanneer ze zware gewichten op de robot plaatsten, zorgde de toegevoegde druk ervoor dat de mechanische schakelaars eerder afgingen, maar het gewicht maakte het ook moeilijker voor de modules om leeg te lopen. Dit veranderde de timing van de golf, waardoor de robot vertraagde, maar het stopte hem niet. De robot paste zijn tempo simpelweg aan om overeen te komen met de nieuwe belasting. Op dezelfde manier, toen ze de robot afkoelden in een vriezer, vertraagde de golf en stopte deze uiteindelijk omdat de vloeistof niet snel genoeg kon koken. Wanneer ze de robot op een hete plaat verwarmden, zwollen de modules spontaan op, en het systeem kwam in een andere staat terecht waarin het stopte met oscilleren en een statische vorm aannam. Deze experimenten toonden aan dat het gedrag van de robot niet is vastgelegd door een vooraf geschreven code, maar voortkomt uit de interactie tussen de materiaaleigenschappen van de robot en zijn omgeving.

Misschien wel de meest opvallende demonstratie van de veerkracht van dit systeem kwam toen de onderzoekers de ring fysiek doormidden sneden. Bij een traditionele robot zou het doorsnijden van een besturingslijn ervoor zorgen dat de hele machine faalt. Hier, toen het team de zesmodulesige ring in twee aparte ringen van drie modules sneed, begonnen beide helften onmiddellijk zelfstandig te oscilleren. De ene helft zette zijn golf voort, en de andere helft begon, na een korte handmatige herstart, ook haar ritme te vinden. Het systeem had geen herprogrammering of herbedrading nodig; de eenvoudige handeling van het verbreken van de verbinding stelde de twee nieuwe ringen in staat om hun eigen onafhankelijke patronen te vormen. Dit suggereert dat deze pneumatische neuronen gebruikt kunnen worden om robots te bouwen die schade kunnen overleven, die potentieel in kleinere, functionele eenheden kunnen splitsen als ze uit elkaar worden gescheurd, vergelijkbaar met sommige dieren die verloren ledematen kunnen regenereren.

De onderzoekers bevestigden ook kleine, L-vormige pootjes aan de modules om te zien of de robot daadwerkelijk over een oppervlak kon bewegen. Terwijl de modules opzwollen en leegliepen in een voortbewegende golf, grepen de pootjes de grond vast wanneer ze opgeblazen waren en gleden ze over de grond wanneer ze leeg waren, wat een kruibeweging creëerde die lijkt op die van een regenworm. De robot bewoog ongeveer 25 millimeter voort over zes cycli, een snelheid die wordt bepaald door de tijd die het kost om de vloeistof te laten koken en af te koelen. Hoewel dit traag is vergeleken met een mechanische robot, merkten de onderzoekers op dat de snelheid een eigenschap is van de gekozen materialen, en niet van de architectuur zelf. Door de vloeistof of de heater te veranderen, kan de timing worden aangepast zonder de fundamentele logica van het systeem te wijzigen. Dit vermogen om voortbeweging te genereren zonder externe pompen of elektronische controllers, opent mogelijkheden voor robots die kunnen opereren in plaatsen waar het meenemen van zware apparatuur onmogelijk is, zoals diep onder de grond of in de ruimte.

Dit werk vertegenwoordigt een verschuiving in hoe soft robots worden ontworpen, weg van het idee van een machine die wordt bestuurd door een aparte computer naar een machine waarbij het lichaam zelf de computer is. Door de logica van beweging direct in het materiaal en de fysica van de actuator in te bedden, hebben de onderzoekers een systeem gecreëerd dat inherent modulair en robuust is. De robot hoeft niet te "weten" waar hij is of hoe de omgeving eruit ziet; hij reageert simpelweg op de hitte, druk en verbindingen om zich heen. Hoewel er nog steeds uitdagingen zijn om te overwinnen, zoals het vinden van materialen die hogere temperaturen kunnen weerstaan voor snellere beweging, biedt de pneumatische neuron een nieuw blauwdruk voor adaptieve robotica. Het suggereert een toekomst waarin machines even flexibel en zelfvoorzienend kunnen zijn als de levende organismen die hen hebben geïnspireerd, in staat om complexe werelden te navigeren door de eenvoudige, elegante fysica van inflatie en vuur.