Additive manufacturing of self-healing polymers for soft robotics applications

Ellen Roels
Zelfherstellende robots kunnen, net zoals mensen, genezen van hun wonden. Om het productieproces te vereenvoudigen en complexere designs mogelijk te maken, wordt de techniek van het 3D-printen ontwikkeld voor deze specifieke materialen.

Onverwoestbare robot rolt uit 3D-printer

Een schaafwonde heeft iedereen wel eens, al is de wonde gelukkig weer genezen na een paar weken. Toch is het opmerkelijk dat we deze eigenschap enkel in de natuur tegenkomen, want je gebarsten smartphonescherm zal zichzelf nooit herstellen, hoe jammer dat ook is. Toch zijn onderzoekers er nu in geslaagd om robots te 3D-printen die zichzelf wel kunnen herstellen.

Robots, ze worden steeds vaker ingezet in fabrieken, maar ook daarbuiten winnen ze aan populariteit. Misschien heeft u zelf wel al zo’n rondrijdende stofzuiger of grasmachine in huis? In fabrieken is de trend tegenwoordig om robots en mensen te laten samenwerken en zo hun sterktes te combineren. Voor deze samenwerking zijn de traditionele harde robots minder geschikt, ze zouden de arbeiders kunnen verwonden. Daarom zijn de zogenaamde ‘soft robots’, zachte robots dus, ontwikkeld. Deze robots zijn gemaakt uit zachte materialen en meer geschikt voor interactie met mensen. Een probleem is echter dat zachte robots sneller kapot gaan, zeker in omgevingen zoals fabrieken waar veel scherpe voorwerpen aanwezig zijn.

Onderzoekers van de Vrije Universiteit Brussel (VUB) hebben daar nu eindelijk een oplossing voor gevonden: ze ontwikkelden een speciaal plastic dat in staat is om te herstellen van krassen en sneden binnen een paar uur. Van dat materiaal kunnen ze zelfs de eigenschappen kiezen, van een hard plastic voor de structurele onderdelen tot zeer zacht en flexibel. Dat laatste kan gebruikt worden voor bijvoorbeeld de huid van een robot zodat die, net zoals mensen, kan genezen van zijn wonden. Dat genezen gebeurt nu nog door het materiaal in een oven op te warmen tot ongeveer 80°C, maar in de toekomst is het de bedoeling deze stap over te kunnen slaan.Een zachte robothand gemaakt van zelfherstellend materiaal.

Haakjes en lusjes

Maar hoe kunnen die robots nu genezen? Het is gebaseerd op een chemisch proces dat werkt met thermo-reversibele (letterlijk: warmte-omkeerbaar) bindingen waarvan er onnoemelijk veel aanwezig zijn in het materiaal. Zo’n binding kan voorgesteld worden als een klittenband met aan de ene kant een haakje en aan de andere kant een lusje. Net zoals in klittenband kan het haakje vastzitten in het lusje of net niet. Als we nu een kras of snede in het materiaal maken, dan worden de haakjes gescheiden van de lusjes. Door het opwarmen, kunnen die losse helften makkelijker bewegen en in de wonde vloeien. Als het materiaal daarna afgekoeld wordt, kunnen de losse haakjes en lusjes elkaar terugvinden en in elkaar haken. De onderzoekers hebben zelfs kunnen aantonen dat de geheelde wonde even sterk is als voordien, zelfs al wordt telkens een snede op dezelfde plaats aangebracht.

3D-printen

Om nu van deze zelfherstellende materialen een robotonderdeel te maken, ontwikkelden de onderzoekers verschillende technieken. Een eerste techniek is geïnspireerd op origami: uit een vel wordt de juiste vorm gesneden en zo geplooid tot de vorm van de robot verkregen is. Hier komt de zelfherstellende eigenschap goed van pas, de zijkanten hoeven niet tegen elkaar gelijmd te worden, maar kunnen nu ook manueel aan elkaar geheeld worden. Toch bleek deze techniek gelimiteerd tot relatief eenvoudige ontwerpen. Om complexere robots te creëren, was een nieuwe techniek nodig. Die werd gevonden in het 3D-printen. Een veelzijdige techniek die de laatste jaren meer en meer aan populariteit wint, je vindt 3D-printers tegenwoordig in vele technische scholen al terug. Het is juist die veelzijdigheid die de onderzoekers aansprak om na te gaan of hun materiaal ook geschikt is voor deze techniek. Ze waren dan ook zeer verheugd toen het eerste robotonderdeel uit de printer rolde.

Dit 3D-printen bleek niet zo eenvoudig. De meeste plastics hebben een smelttemperatuur, waarboven ze vloeibaar worden, maar dit zelfherstellende materiaal niet. Het printen gebeurt door het losmaken van net genoeg haakjes en lusjes zodat alle stukjes van de klittenband los zijn. Dit kan door het materiaal op te warmen tot 120°C, wat ervoor zorgt dat de stukjes klittenband onderling kunnen bewegen. Zo wordt het materiaal vloeibaarder en kan het geprint worden. Na het printen moet het plastic dan zo snel mogelijk weer hard worden. Het materiaal is hard als alle verschillende stukjes klittenband weer een geheel vormen en dus allemaal aan elkaar vastgehaakt zijn. Hiervoor wordt het plastic rond de 80°C gehouden omdat testen uitwezen dat op deze temperatuur de haakjes en de lusjes het snelste in elkaar haken.Een zelfherstellend robotonderdeel wordt met een 3D-printer geprint.

3D-printen opent bijgevolg een hele reeks mogelijkheden. Robots hoeven niet langer een vouwbare vorm te hebben en het proces kan zo geautomatiseerd worden. Andere voordelen die de onderzoekers aan het licht brachten, zijn dat door deze techniek de onderdelen makkelijk luchtdicht gemaakt kunnen worden en sterker zijn in vergelijking met andere plastics.

Toekomstmuziek

De wetenschappers zitten boordevol plannen en zien de toekomst bijzonder rooskleuring in. Een volgende stap is om de robots autonoom te laten genezen, zodat een technicus de onderdelen niet langer in de oven hoeft te plaatsen. Robots zullen hiervoor uitgerust worden met een intern verwarmingssysteem. Vervolgens willen de onderzoekers hun zachte robots ook pijn laten voelen, vergelijkbaar met spierpijn bij mensen. Zo kan de robot aanvoelen wanneer het tijd is om te genezen en ingrijpen nog voordat een echt probleem zich voordoet. Dit genezen kan dan gebeuren op een voordelig moment, zoals na de werkuren van de fabriek. Dit voorkomt op zijn beurt dan weer het stilvallen van de productie, met een groot economisch voordeel als resultaat.

De natuur als inspiratiebron voor robots blijkt een succesverhaal. Door de uitzonderlijke eigenschap van het genezen over te brengen naar de robots, worden deze weer een stuk duurzamer. Robots met zelfherstellende materialen mogen dan wel onverwoestbaar zijn, deze veilige en knuffelbare robots zullen, zo verzekeren de onderzoekers, de wereld nog niet zo snel overnemen.

Bibliografie

[1] S. Terryn, J. Brancart, D. Lefeber, G. Van Assche, and B. Vanderborght, "Self-healing soft
pneumatic robots," Science Robotics, vol. 2, no. 9, 2017.
[2] S. Terryn, J. Brancart, D. Lefeber, G. V. Assche, and B. Vanderborght, "A pneumatic
articial muscle manufactured out of self-healing polymers that can repair macroscopic
damages," IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 3, no. 1, pp. 16, 21, Jan 2018.
[3] B. Gorissen, D. Reynaerts, S. Konishi, K. Yoshida, J.-W. Kim, and M. De Volder, "Elastic
in atable actuators for soft robotic applications," Advanced Materials, pp. 1 604 977, n/a,
2017.
[4] B. Vanderborght, A. Albu-Schaeffer, A. Bicchi, E. Burdet, D. Caldwell, R. Carloni, M. Catalano,
O. Eiberger, W. Friedl, G. Ganesh, M. Garabini, M. Grebenstein, G. Grioli, S. Haddadin,
H. Hoppner, A. Jafari, M. Laffranchi, D. Lefeber, F. Petit, S. Stramigioli, N. Tsagarakis,
M. V. Damme, R. V. Ham, L. Visser, and S. Wolf, "Variable impedance actuators: A
review," Robotics and Autonomous Systems, vol. 61, no. 12, pp. 1601 ,1614, 2013.
[5] D. Trivedi, C. D. Rahn, W. M. Kier, and I. D. Walker, "Soft robotics: Biological inspiration,
state of the art, and future research," Applied Bionics and Biomechanics, vol. 5, no. 3, pp.
99-117, 2008.
[6] S. Kim, C. Laschi, and B. Trimmer, "Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics,"
Trends in Biotechnology, vol. 31, no. 5, pp. 287 - 294, 2013.
[7] D. Rus and M. T. Tolley, "Design, fabrication and control of soft robots," Nature, vol. 521,
no. 7553, p. 467, 2015.
[8] R. Bogue, "Flexible and soft robotic grippers: the key to new markets?" Industrial Robot:
An International Journal, vol. 43, no. 3, pp. 258-263, 2016.
[9] M. E. Giannaccini, I. Georgilas, I. Horseld, B. Peiris, A. Lenz, A. G. Pipe, and S. Dogramadzi,
"A variable compliance, soft gripper," Autonomous Robots, vol. 36, no. 1-2, pp.
93-107, 2013.
[10] M. Manti, T. Hassan, G. Passetti, N. D'Elia, C. Laschi, and M. Cianchetti, "A bioinspired
soft robotic gripper for adaptable and eective grasping," Soft Robotics, vol. 2, no. 3, pp.
107-116, 2015.
[11] D. Villegas, M. V. Damme, B. Vanderborght, P. Beyl, and D. Lefeber, "Third-generation
pleated pneumatic articial muscles for robotic applications: Development and comparison
with mckibben muscle," Advanced Robotics, vol. 26, no. 11-12, pp. 1205-1227, 2012.
[12] S. Terryn, G. Mathijssen, J. Brancart, T. Verstraten, G. V. Assche, and B. Vanderborght,
"Toward self-healing actuators: A preliminary concept," IEEE Transactions on Robotics,
vol. 32, no. 3, pp. 736-743, June 2016.
[13] C. Blanes, M. Mellado, and P. Beltran, "Novel additive manufacturing pneumatic actuators
and mechanisms for food handling grippers," in Actuators, vol. 3, no. 3. Multidisciplinary
Digital Publishing Institute, 2014, pp. 205-225.
[14] M. D. Hager, P. Greil, C. Leyens, S. van der Zwaag, and U. S. Schubert, "Self-healing
materials," Advanced Materials, vol. 22, no. 47, pp. 5424-5430, 2010.
[15] S. R White, N. Sottos, P. Geubelle, J. Moore, M. R Kessler, S. Sriram, E. Brown, and
S. Viswanathan, "Autonomic healing of polymer composites," Nature, vol. 409, pp. 794-7,
03 2001.
[16] N. M. corporation, "Scratch shield," http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/
OVERVIEW/scratch.html, accessed: 06/08/2017.
[17] LG, "Back cover self-healing technology," http://www.lg.com/ca en/support/product-help/
CT20098088-1434701085113-broken-part-accessory, accessed: 16/10/2017.
[18] N. K. Guimard, K. K. Oehlenschlaeger, J. Zhou, S. Hilf, F. G. Schmidt, and C. Barner-
Kowollik, "Current trends in the eld of self-healing materials," Macromolecular Chemistry
and Physics, vol. 213, no. 2, pp. 131-143, 2012.
[19] N. G. Cheng, A. Gopinath, L. Wang, K. Iagnemma, and A. E. Hosoi, "Thermally tunable,
self-healing composites for soft robotic applications," Macromolecular Materials and
Engineering, vol. 299, no. 11, pp. 1279-1284, 2014.
[20] S. C. Ligon, R. Liska, J. Stamp , M. Gurr, and R. Mülhaupt, "Polymers for 3d printing and
customized additive manufacturing," Chemical Reviews, vol. 117, no. 15, pp. 10 212-10 290,
2017.
[21] H. Lipson and M. Kurman, Fabricated: The new world of 3D printing. John Wiley & Sons,
2013.
[22] M. Sljivic, A. Pavlovic, J. Ilic, and M. Stanojevic, Sustainable Small Batch Reproduction via
Additive Manufacturing and Vacuum Casting: The Case Study of a Rhinoceros Toy Figure.
Cham: Springer International Publishing, 2017, pp. 713-722.
[23] S. Crump, "Apparatus and method for creating three-dimensional objects," US Patent
US5 121 329 A, Jun. 9, 1992.
[24] A. Sodergard and M. Stolt, "Properties of lactic acid based polymers and their correlation
with composition," Progress in Polymer Science, vol. 27, no. 6, pp. 1123 -1163, 2002.
[25] A. Zolfagharian, A. Z. Kouzani, S. Y. Khoo, A. A. A. Moghadam, I. Gibson, and A. Kaynak,
"Evolution of 3d printed soft actuators," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 250, pp.
258 - 272, 2016.
[26] Y. She, C. Li, J. Cleary, and H.-J. Su, "Design and fabrication of a soft robotic hand with
embedded actuators and sensors," Journal of Mechanisms and Robotics, vol. 7, no. 2, p.
021007, 2015.
[27] L. Stiltner, A. Elliott, and C. Williams, "A method for creating actuated joints via ber
embedding in a polyjet 3d printing process," vol. 22, pp. 583-592, 01 2011.
[28] T. Umedachi, V. Vikas, and B. A. Trimmer, "Highly deformable 3-d printed soft robot generating
inching and crawling locomotions with variable friction legs," in IEEE/RSJ Interna-
tional Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2013, pp. 4590-4595.
[29] B. N. Peele, T. J. Wallin, H. Zhao, and R. F. Shepherd, "3d printing antagonistic systems of
articial muscle using projection stereolithography," Bioinspiration & Biomimetics, vol. 10,
no. 5, p. 055003, 2015.
[30] H. K. Yap, H. Y. Ng, and C.-H. Yeow, "High-force soft printable pneumatics for soft robotic
applications," Soft Robotics, vol. 3, no. 3, pp. 144-158, 2016.
[31] B. Trimmer, J. Lewis, R. F. Shepherd, and H. Lipson, "3d printing soft materials: What is
possible?" 2015.
[32] N. W. Bartlett, M. T. Tolley, J. T. Overvelde, J. C. Weaver, B. Mosadegh, K. Bertoldi,
G. M. Whitesides, and R. J. Wood, "A 3d-printed, functionally graded soft robot powered
by combustion," Science, vol. 349, no. 6244, pp. 161-165, 2015.
[33] M. Wehner, R. L. Truby, D. J. Fitzgerald, B. Mosadegh, G. M. Whitesides, J. A. Lewis, and
R. J. Wood, "An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous
robots," Nature, vol. 536, no. 7617, p. 451, 2016.
[34] M. Zarek, M. Layani, I. Cooperstein, E. Sachyani, D. Cohn, and S. Magdassi, "3d printing of
shape memory polymers for exible electronic devices," Advanced Materials, vol. 28, no. 22,
pp. 4449-4454, 2016.
[35] Y. Yang, Y. Chen, Y. Wei, and Y. Li, "3d printing of shape memory polymer for functional
part fabrication," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 84,
no. 9, pp. 2079-2095, Jun 2016.
[36] M. Nadgorny, Z. Xiao, and L. A. Connal, "2d and 3d-printing of self-healing gels: design
and extrusion of self-rolling objects," Molecular Systems Design and Engineering, vol. 2, pp.
283-292, 2017.
[37] S. Terryn, G. Mathijssen, J. Brancart, D. Lefeber, G. Van Assche, and B. Vanderborght,
"Development of a self-healing soft pneumatic actuator: A first concept," Bioinspiration &
biomimetics, vol. 10, no. 4, p. 046007, 2015.
[38] H. H. Winter and F. Chambon, "Analysis of linear viscoelasticity of a crosslinking polymer
at the gel point," Journal of rheology, vol. 30, no. 2, pp. 367-382, 1986.
[39] A. Cuvellier, R. Verhelle, J. Brancart, B. Vanderborght, G. Van Assche, and H. Rahier,
"The influence of stereochemistry on the reactivity of the diels-alder cycloaddition and the
implications for reversible network polymerization," Submitted for peer review, 2018.
[40] D. V. Rosato, Extruding plastics: a practical processing handbook. Springer Science &
Business Media, 2013.
[41] R. J. Koopmans and J. Molenaar, "The sharkskin effect" in polymer extrusion," Polymer
Engineering & Science, vol. 38, no. 1, pp. 101-107, 1998.
[42] B. Meulenbroek, C. Storm, V. Bertola, C. Wagner, D. Bonn, and W. van Saarloos, "Intrinsic
route to melt fracture in polymer extrusion: A weakly nonlinear subcritical instability of
viscoelastic poiseuille flow," Physical Review Letters, vol. 90, p. 024502, Jan 2003.
[43] N. E. Kissi, J.-M. Piau, and F. Toussaint, "Sharkskin and cracking of polymer melt extrudates,"
Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, vol. 68, no. 2, pp. 271 - 290, 1997,
papers presented at the Polymer Melt Rheology Conference.
[44] J.-F. Agassant, D. R. Arda, C. Combeaud, A. Merten, H. Muenstedt, M. R. Mackley,
L. Robert, and B. Vergnes, "Polymer processing extrusion instabilities and methods for
their elimination or minimisation," International Polymer Processing, vol. 21, no. 3, pp.
239-255, 2006.
[45] NinjaFlex® 3D Printing Filament - Technical specifications, NinjaTek, 2016. [Online].
Available: https://ninjatek.com/wp-content/uploads/2016/05/NinjaFlex-TDS.pdf
[46] M. Ko, H. Kang, J. ulrim Kim, Y. Lee, and J.-E. Hwang, "How to measure quality of affordable
3d printing: Cultivating quantitative index in the user community," in International
Conference on Human-Computer Interaction. Springer, 2016, pp. 116-121.
[47] R. Zou, Y. Xia, S. Liu, P. Hu, W. Hou, Q. Hu, and C. Shan, "Isotropic and anisotropic
elasticity and yielding of 3d printed material," Composites Part B: Engineering, vol. 99, pp.
506 -513, 2016.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Mechanical engineering option Mechatronics-Construction
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Bram Vanderborght
Kernwoorden
@RoelsEllen