Metamaterialen met actie op afstand mogelijk ooit bruikbaar in draagbare zachte robotica

Nieuws - 14 maart 2018 - Webredactie 3mE

Een groep onderzoekers verbonden aan de afdeling BioMechanical Engineering hebben onder leiding van professor Amir Zadpoor het concept geïntroduceerd van metamaterialen met ‘actie op afstand’, waarbij een specifiek patroon van lokale actuatie in het geometrische ontwerp van zachte cellulaire materialen wordt geprogrammeerd. Vervolgens kan met één enkele kracht de vereiste lokale actuatie worden geproduceerd. Dit soort lokale actuatie heeft veel potentiële toepassingen, onder andere in zachte robotica. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift APL Materials op 6 maart 2018.

Honingraat en vlinderstrik

De onderzoekers hebben aangetoond hoe eenvoudige combinaties van cellulaire structuren in de vorm van honingraten (positieve Poisson-factor) en vlinderstrikjes (negatieve Poisson-factor) kunnen worden gebruikt om zachte actuators te creëren met complexe actuatiepatronen. Het enige wat nodig is om de actuators te activeren is één enkele kracht, toegepast op grote afstand van de actuators, vandaar de naam ‘actie op afstand’.

 “Deze metamaterialen hebben de opmerkelijke eigenschap dat ze zeer complexe actuatiepatronen creëren met slechts één actuatiekracht. Daarnaast zijn deze materialen eenvoudig te produceren: alles wat je nodig hebt om deze cellulaire structuren te maken is een goedkope 3D-printer en een elastomeer met twee componenten”, vertelt Zadpoor.

Professor Amir Zadpoor

Dr. Reza Hedayati, een van de onderzoekers betrokken bij het onderzoek, legt uit dat voor lokale actuatie meestal een netwerk aan onderling verbonden actuators nodig is, dat extern wordt bediend om het vereiste activeringspatroon te produceren. “In ons materiaal is het actuatiepatroon in de geometrie van de cellulaire structuren geprogrammeerd. Daardoor is er geen netwerk aan lokale actuators en bijbehorende bedrading en regelaars nodig. En daardoor zijn deze actuators veel goedkoper en gemakkelijker te produceren.”

“Het basisprincipe van onze geometrische ontwerpen is dat het aantal cellen in de vorm van honingraten en vlinderstrikjes door de gehele structuur heen wordt veranderd om een specifiek actuatiepatroon te creëren. Deze cellulaire structuren worden soms ‘gegradeerde structuren’ genoemd vanwege deze geleidelijke verandering”, aldus dr. Mirzaali, een tweede lid van de onderzoeksgroep. De geleidelijke verandering kan lineair worden ontworpen, radiaal, in de vorm van een schaakbord, of gestreept. Het actuatiepatroon zal verschillen afhankelijk van het soort graduele verandering.

 

Dr. Reza Hedayati
Figure 1: Undeformed and deformed combined structures having barrel-shaped (left), narrow-waisted (middle), and vase-shaped (right) final geometries

Vase shaped auxetic meta-material

Zachte robotica

Zachte robotica is een vakgebied in opkomst dat de afgelopen jaren veel belangstelling trekt. Een belangrijke uitdaging in de zachte robotica is het creëren van complexe actuatiepatronen, bijvoorbeeld om een patiënt te helpen zich gemakkelijker te bewegen (exosuits) of om een breekbaar voorwerp zoals menselijk weefsel beet te pakken (robotgeassisteerde chirurgie). De door de onderzoekers van de TU Delft ontwikkelde metamaterialen met actie op afstand maken de productie van dergelijke actuators op eenvoudige, tijdsefficiënte en betaalbare manier mogelijk.

 “Een nog belangrijker aspect van dit onderzoek is misschien wel dat we een nieuw ontwerpparadigma voor zachte actuators hebben voorgesteld. In plaats van een netwerk van onderling verbonden actuators te gebruiken, kun je de geometrie gebruiken om het actuatiepatroon in het weefsel van een zacht materieel te programmeren. Dat schept een hoop mogelijkheden voor het gebruik van geometrie voor actuatie”, aldus Zadpoor.

“Het andere voordeel van deze geometrische ontwerpen is dat de resulterende actuators lichtgewicht en draadloos zijn, en gemakkelijk kunnen worden gedragen”, voegt Hedayati toe. “Dat kan de basis gaan vormen voor zachte draagbare robotica, zoals zachte exosuits om patiënten met beperkte mobiliteit te ondersteunen.”

Lees de publicatie ‘Action-at-a-distance metamaterials: Distributed local actuation through far-field global forces’.