Soepele robothand die beweegt door vloeibaar kristal te verwarmen

ENGINEERINGNET.BE – Veel van de hedendaagse zachte robots bevatten metalen. Dit beperkt de werking ervan in aquatische omgevingen, zoals het menselijk lichaam.

Daarom ontwierp de TU Eindhoven een met de hand gemaakte zachte robot van grafeen en vloeibare kristallen. Promovendus Laura van Hazendonk: “Een vloeibaar kristal gedraagt ​​zich als een vloeistof of een vaste stof, afhankelijk van hoe het wordt aangeslagen of verstoord. Als het stroomt, gedraagt ​​het zich als een vloeistof.”

“Maar in bijzondere situaties kunnen de moleculen van de vloeistof zichzelf organiseren om een ​​regelmatige structuur te creëren, zoals een kristal dat je onder een microscoop ziet in een vast materiaal. Deze eigenschap is perfect als het gaat om het maken van zachte robots.”

De onderzoekers gebruikten de geselecteerde materialen om een ​​actuator te ontwerpen en te vervaardigen. “Actuatoren regelen de beweging in robotsystemen. Normaal gesproken beweegt de actuator wanneer hij wordt voorzien van elektriciteit, lucht of een vloeistof”, zegt Van Hazendonk. “We hebben iets anders gebruikt om de actuatoren van het liquid crystal network (LCN) aan te sturen.

De onderzoekers ontwierpen een grijpapparaat met vier vingers die worden bestuurd door LCN-actuatoren die vervormen als gevolg van het effect van warmte op op grafeen gebaseerde verwarmingselementen of sporen op de vingers van de grijper.

“Wanneer elektrische stroom door de zwarte grafeensporen gaat, worden de sporen warm en verandert de warmte van de sporen de moleculaire structuur van de vloeibaar-kristalvingers, en sommige moleculen veranderen van geordend naar ongeordend. Dit leidt tot buiging van de vingers.” zegt Van Hazendonk. “Zodra de elektrische stroom wordt uitgeschakeld, gaat er warmte verloren en keert de klem terug naar zijn oorspronkelijke staat.”

Een van de grootste uitdagingen hier had te maken met de grafeen verwarmingselementen, aldus assistent-professor Heiner Friedrich. “We moesten ervoor zorgen dat ze de juiste temperatuur bereikten om de vloeibare kristallaag te veranderen, en dat dit kon gebeuren met een veilige elektrische spanning.”

Aanvankelijk bereikten de grafeenelementen niet de juiste temperaturen bij veilige spanningen, anders zouden ze oververhit raken en het apparaat doorbranden. Daarom ontwierpen de onderzoekers een actuator die zonder problemen werkt met elektrische spanningen onder de 15 volt.

Het pincet kan kleine voorwerpen met een massa tussen de 70 en 100 milligram optillen. “Bij chirurgie kan dit nuttig zijn voor het nauwkeurig en gedetailleerd bewegen van kleine instrumenten, implantaten of biologisch weefsel”, zegt Van Hazendonk.

“Nu willen we een volledig geprinte robot maken door een laag vloeibaar kristal te 3D-printen. Voor onze grijper hebben we de laag gemaakt door materialen in een mal te gieten. Andere onderzoekers aan de TU Eindhoven hebben aangetoond dat vloeibare kristallen geprint kunnen worden. Hiermee gripper printen we alleen de grafeenlaag, dus het zou geweldig zijn om een ​​volledig bedrukt apparaat te hebben.”