Active 3D weaves for load-bearing and damage-resilient locomotion

Zachte robots zijn machines die zijn gebouwd van materialen die buigen, strekken en vervormen in plaats van van stijf metaal en tandwielen. Deze flexibiliteit maakt ze veilig om aan te raken en ideaal om op het menselijk lichaam te dragen, zoals een slim shirt of een medische brace. Echter, deze zachtheid is ook hun grootste zwakte. Omdat ze zo buigzaam zijn, hebben ze moeite met het dragen van zware objecten of het weerstaan van sterke krachten zonder in te zakken. Decennialang stonden ingenieurs voor een moeilijke keuze: een robot bouwen die zacht en veilig is, of een robot die sterk genoeg is om zwaar te tillen, maar zelden beide tegelijkertijd.

Een team van onderzoekers heeft een manier gevonden om deze kloof te overbruggen door te kijken naar een van de oudste ambachten van de mensheid: weven. Net zoals een mandenmaker flexibele rietstengels door elkaar vlecht om een container te maken die zowel licht als sterk is, hebben deze wetenschappers dunne stroken materiaal in driedimensionale vormen geweven die kunnen bewegen, gewicht kunnen dragen en druk kunnen weerstaan. Door speciale draden in deze geweven structuren in te bedden die krimpen wanneer ze worden verhit, hebben ze een nieuw soort robot gecreëerd die zacht genoeg is om te lopen en te sturen, maar stijf genoeg om lasten te dragen die veel zwaarder zijn dan zijzelf.

De onderzoekers begonnen met het creëren van een enkel, fundamenteel bouwblok dat ze een "geweven hoek" noemen. Stel je voor dat je drie groepen dunne, platte linten onder een rechte hoek door elkaar vlecht om een hoekvorm te maken, vergelijkbaar met de hoek van een gevlochten mand. Om deze hoek te laten bewegen, hebben ze twee gekrulde draden van een speciale metaallegering door de structuur getrokken. Deze draden zijn ontworpen om te krimpen, of korter te worden, wanneer een elektrische stroom ze verhit. Wanneer de onderzoekers een kleine elektrische stroom toepasten, werden de draden warm en krompen ze, waardoor de geweven hoek in een nieuwe vorm werd getrokken. Wanneer de stroom stopte en de dragen afkoelden, keerde de hoek terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

Door de draden zorgvuldig te arrangeren, ontdekten de onderzoekers dat ze de hoek konden laten lopen. Wanneer de draden aan één kant werden verhit, vouwde de hoek zich op een manier die ervoor zorgde dat de achterpoten naar voren gleden terwijl de voorpoot op zijn plek bleef staan. Wanneer de draden afkoelden, gleed de voorpoot naar voren terwijl de achterpoten hun positie behielden. Door deze cyclus van verwarmen en afkoelen te herhalen, bewoog de hoek zich naar voren in een reeks stappen. De onderzoekers lieten ook zien dat ze de hoek konden sturen door slechts één draad te verhitten, waardoor de structuur draaide terwijl hij bewoog. Dit eenvoudige onderdeel bewees dat een geweven structuur zowel flexibel genoeg kon zijn om te bewegen als sterk genoeg om gewicht te dragen.

Om dit concept op te schalen, assembleerde het team deze geweven hoeken tot grotere, complexere robots. Ze bouwden een kubus die bewoog door zijn hele lichaam te laten krimpen en uit te zetten, evenals wezens met twee, drie en vier poten die liepen door hun ledematen te buigen. Elk van deze robots was geconstrueerd van hetzelfde geweven materiaal en dezelfde hitte-krimpende draden. De resultaten waren opmerkelijk. Terwijl de 10 gram wegende geweven hoek een last kon dragen van 25 keer zijn eigen gewicht, demonstreerde de bredere familie van deze geweven robots het vermogen om lasten tot zeventig keer hun eigen gewicht te dragen terwijl ze nog steeds vooruit bewogen. Bijvoorbeeld, een robot die slechts tien gram weegt, kon een last van 250 gram dragen, ongeveer het gewicht van een kleine appel, zonder het vermogen om te lopen te verliezen.

Misschien wel de meest verrassende ontdekking was hoe goed deze robots extreme mishandeling overleefden. De onderzoekers onderwerpen de geweven hoeken aan verpletterende krachten die dertienhonderd keer hun eigen gewicht bedroegen, waardoor ze volledig werden platgedrukt. In plaats van te breken of plat te blijven, sprongen de robots weer terug in hun vorm. De geweven linten bogen en knikten op een manier die de schok absorbeerde zonder permanent te vervormen, en de metalen draden, die uitgerekt en gedraaid waren, keerden terug naar hun oorspronkelijke vorm zodra de druk werd weggenomen. Na herhaaldelijk te zijn verpletterd en platgedrukt, liepen de robots via exact dezelfde paden als voorheen, waarbij ze geen prestatieverlies vertoonden.

Het geheim van deze veerkracht ligt in het ontwerp van het weefsel zelf. In tegen tegenstelling tot een solide blok materiaal dat onder druk zou barsten, laat de geweven structuur de individuele strengen toe om lokaal te buigen en te knikken, waardoor de kracht over de gehele vorm wordt verdeeld. Dit is vergelijkbaar met hoe een geweven mand platgedrukt kan worden en daarna weer in vorm springt, terwijl een solide plastic beker zou barsten of gedeukt zou blijven. De onderzoekers gebruikten computermodellen om precies te begrijpen hoe de structuur bewoog, en ontdekten dat het weefsel van nature stijf is wanneer het recht wordt getrokken, maar flexibel wanneer het zijdelings wordt gebogen. Deze unieke eigenschap stelde hen in staat om de bewegende draden daar te plaatsen waar de buiging plaatsvindt voor efficiënte beweging, terwijl de structuur stijf genoeg bleef om zware lasten te dragen.

Dit werk toont aan dat weven niet alleen een methode is voor het maken van stof, maar een krachtige engineeringstrategie voor het bouwen van machines. Door de eeuwenoude kunst van het weven te combineren met moderne actieve materialen, hebben de onderzoekers een nieuwe klasse robots gecreëerd die zacht, sterk en ongelooflijk taai zijn. Deze machines zouden op een dag kunnen dienen als draagbare exoskeletten die mensen helpen zware objecten te tillen, of als reddingsrobots die door puin kunnen kruipen en voorraden kunnen vervoeren zonder te breken. De studie laat zien dat door in drie dimensies te denken en gebruik te maken van de natuurlijke eigenschappen van geweven structuren, ingenieurs het langlopende probleem van het maken van zachte robots die ook sterk genoeg zijn om echt werk te verrichten, kunnen oplossen.