Knappe(nde) robots

Welk onderdeel is onmisbaar om veilige, goedkope en intelligente robots te maken? De nieuwste microcontroller? De fijnste motor? Of misschien de nauwkeurigste sensor? Nee, denk minder hoogtechnologisch... en meer feestelijk. Denk aan een alledaagse rubberen ballon. Want met ballonnen alleen kan je al complexe robots maken.

Traditioneel bestaan robots uit stijve onderdelen aangedreven door elektrische motoren. Daardoor kunnen ze snel, nauwkeurig en krachtig bewegen. Maar hun stijfheid heeft ook belangrijke nadelen. Zo kunnen industriële robotarmen gemakkelijk botten breken als ze iemand met volle kracht raken. In bedrijven zullen ze daarom altijd ofwel achter een beschermende afsluiting staan, ofwel langzaam bewegen.

Bovendien kunnen stijve robots zich moeilijk aanpassen aan onzekerheden in hun omgeving. Denk maar aan die filmpjes van robots die voorzichtig proberen te wandelen op ruw terrein maar daar komisch in mislukken. Of probeer eens een voorwerp op te tillen tussen twee harde kaften en dan tussen twee kussens. De kaften moet je heel precies plaatsen en samendrukken om het voorwerp stevig op te nemen terwijl je de kussens alleen maar heel vaag tegen elkaar moet mikken.  Het verschil is dat de kaften hun vorm niet aanpassen aan het voorwerp en de kracht dus niet goed verdelen. Dat wordt al helemaal duidelijk als je een breekbare eierschaal probeert op te nemen.

De softies van de robotica

Toch zijn er tegenwoordig stijve robots die bijvoorbeeld tomaten kunnen plukken. Dat kan enkel dankzij een hele hoop sensoren en verwerkingskracht. Daardoor zijn zulke systemen duur, groot en nog steeds beperkt tot zeer specifieke toepassingen. Maar waarom al die moeite doen? In de soft robotics omarmen we de natuurlijke buigzaamheid van structuren om goedkope, compacte en eenvoudige robots te maken die toch veel kunnen. Zo zijn er tentakelachtige robots die vrijwel elk voorwerp vast kunnen nemen. Of actieve handschoenen om de handspieren opnieuw te trainen na een fysiek trauma. Of schattige robotjes die over ruw terrein kunnen trippelen en zich door spleten kunnen wurmen. De toepassingen in de voedingsindustrie, medische sector en reddingswerken zijn eindeloos.

Eén type zachte robot is de opblaasbare. Die bestaat uit secties die er uit zien als rubberen ballonnen met een bijzondere vorm of samenstelling. De vorm van de ballon en de verdeling van de materialen bepalen de vervorming tijdens het opblazen. Zo kan de ene sectie buigen als een vinger en de andere samentrekken als een spier. Het concept is zo eenvoudig dat je het thuis kan uitproberen. Als je bijvoorbeeld één kant van een ballon bedekt met stevige tape en hem opblaast, zal hij buigen naar de tape toe. Werk je met een cilindervormige ballon, dan is dat al het begin van je eigen zachte robotgrijper!

Bizarre ballonnen

Ballonnen die op een speciale manier vervormen zijn nog geen complexe, intelligente robots. Gewoonlijk heb je daarvoor nog elektronisch gestuurde kleppen, sensoren en software nodig. Maar in plaats van software, kan je ook zachte hardware gebruiken als het brein van de robot. Om te begrijpen hoe dat kan moet je denken aan hoe het precies voelt om een ronde ballon op te blazen. Dat gebeurt niet geleidelijk aan. In het begin is het eenvoudig maar dan stoot je op een muur. Pas wanneer je echt veel druk zet, breek je plots door die muur en lijkt de ballon als vanzelf te groeien. Wie een ballon amper opgeblazen krijgt, heeft dus geen veel zwakkere longen dan iemand die een ballon kan doen knappen. Hij of zij haalt gewoon nét niet genoeg druk om door de muur te breken, wat we doorslag noemen. Het omgekeerde, terugslag, gebeurt bij het aflaten van de ballon.

Het doorslageffect mag dan vervelend zijn voor sommigen, maar het is wel nuttig vanuit een technologisch standpunt. Zo kan een kleine drukstijging een grote beweging veroorzaken, zodat je ballon eigenlijk een mechanische contactsensor wordt. Je kan ook verschillende ballonnen aansluiten op dezelfde leiding voor een verbazingwekkend effect. Wanneer je lucht in de leiding blaast, zal immers eerst de ballon met de laagste doorslagdruk groeien en dan pas de volgende. Bij het aflaten hangt de volgorde af van de relatieve terugslagdrukken. Het kan zelfs gebeuren dat de doorslag van de ene ballon de terugslag van een andere veroorzaakt. Door de verschillende kritische drukken goed te kiezen, kan je dus een ingewikkelde serie van bewegingen ontwerpen. Dat allemaal zonder elektronica en met maar één enkele leiding naar een pomp.

Van knijpspeeltjes tot darmchirurgie

Gewone ronde ballonnen hebben dus verbazingwekkend nuttige eigenschappen. Helaas zetten ze te veel uit in alle richtingen en barsten ze te snel om ze in echte zachte robots te gebruiken. Cilindervormige ballonnen zijn dan bijvoorbeeld weer wat compacter, maar vertonen geen doorslag. We beschikten dus niet over een manier om die fascinerende effecten écht te gebruiken. Daarom ging ik op zoek naar een nieuwe zachte structuur die tegelijkertijd compact en robuust is én die kan doorslaan. Die structuur vond ik uiteindelijk niet terug tussen de feestartikelen, maar wel tussen het speelgoed.

Misschien herinner je de rage van enkele jaren geleden nog: schattige dierensleutelhangers met enorme ogen. Je kan er in knijpen als een stressbal en dan springen de ogen met een vermakelijke maar morbide ‘plop’ uit hun kassen. De oogkassen zijn komvormige stukken rubber die zeer snel doorslaan wanneer de druk in het beestje hoog genoeg wordt. Vandaar de ‘plop’. Vereenvoudig je de vorm van het speelgoed tot je alleen de oogkasstructuur over houdt, heb je het perfecte onderdeel voor een complexe zachte robot.

Aan de hand van vergelijkingen, computersimulaties en experimenten maakte ik uiteindelijk een model van de structuur. Daardoor kan je snel de komvorm vinden die een gewenste door- en terugslagdruk geeft. Zo kan je complexe zachte robotsystemen beginnen  te ontwerpen. Stel je bijvoorbeeld een robot voor die kruipt en automatisch zijn weg zoekt door bochtige gangen zonder hard op de wand te duwen. Pijn tijdens darmchirurgie zou daardoor kunnen verminderen en pas ingestorte gebouwen zouden veiliger verkend kunnen worden.   En dat allemaal dankzij die kleurrijke ballonen die je met veel moeite opblaast om feestjes op te leuken. Dát is pas adembenemend.