Stevig vast en toch flexibel: Secondelijm 2.0

Robots lijken soms sterk op (delen van) mensen of dieren, maar er is een groot verschil. De meeste robots zijn hard. Ze bestaan uit metaal en harde kunststoffen, terwijl hun levende inspiratiebronnen juist zacht zijn. Wij, en alles wat leeft, bestaan voor een groot deel uit zachte, gel-achtige materialen die toch sterk en robuust genoeg zijn om allerlei mechanische functies uit te oefenen en krachten te weerstaan.

In het snel opkomende veld van de soft robotics en soft machines – robots en machines gemaakt van zachte materialen – spelen hydrogels een grote rol. Dat zijn, simpel gezegd, netwerken van lange ketens waarin veel water opgenomen kan worden waardoor ze opzwellen. Je kunt het vergelijken met gummiberen of een drilpudding. Die zijn zacht, beweeglijk en elastisch, maar ook stevig. Je kunt ze een beetje indrukken, maar dan veren ze terug. Ze behouden hun vorm.

Zachte grip

Een hydrogel kun je wellicht gebruiken om een robot een ‘zachte grip’ te geven. Zoals onze vingers. Die kunnen een beetje indeuken en daarmee voelen hoe hard of zacht ze moeten knijpen en tegelijkertijd hebben ze een stevige grip. Maar om hydrogels te gebruiken als bouwmateriaal voor machines en robots, moet je ze vast kunnen maken aan andere onderdelen. Bijvoorbeeld aan metalen bedrading voor een koppeling met een batterij of aan harde onderdelen van kunststof. Klassieke oplossingen als schroeven, klinknagels of solderen, werken natuurlijk niet met zachte materialen. Je hebt lijm nodig.

De huidige varianten zijn echter beperkt geschikt, zo schrijven Martin Kaltenbrunner, associate professor fysica van zachte materialen, en collega’s van de Johannes Kepler Universiteit in Linz (Oostenrijk) in het tijdschrift Science Advances. Voordat je deze lijmen kunt aanbrengen, moet er van alles worden gedaan met de oppervlakken die je aan elkaar wilt plakken. Bovendien kost het uitharden van deze lijmen veel tijd en vaak zijn er extra hulpmiddelen nodig, zoals uv-licht en dat kan juist weer schadelijk zijn voor zachte, gevoelige materialen. Allemaal zaken die je liever niet hebt als je zachte machines wilt produceren.

Robotlens

Kaltenbrunner en collega’s ontwikkelden een nieuwe lijm die in staat is om snel gels aan veel verschillende materialen te plakken. Zonder voorbereidend werk en zonder uv-licht. De gels hechten zich stevig aan verschillende kunststoffen en metalen, maar de verbinding blijft elastisch. Ze plakken bijvoorbeeld een gellaagje op een contactlens. Door de gel loopt een elektrisch stroompje, dat ervoor zorgt dat de gel en de lens van vorm veranderen. Daardoor is er een andere focus, net zoals wij onze ogen scherpstellen op in de verte kijken of juist de kleine lettertjes lezen. Dankzij de stevige, maar elastische lijm kunnen de gel en de lens samenwerken. Dat opent mogelijkheden voor het maken van bijvoorbeeld biomimetische – van de natuur nagebootste – ogen voor robots.

Naast de contactlens gebruiken Kaltenbrunner en zijn team hun lijm om flexibele batterijen te maken. Een elektronisch circuit plakt zonder problemen aan een elastische gel en blijft werken – ook na uitrekken en terugveren. De lijm die ze gebruiken bestaat uit cyanoacrylaat, een molecuul dat heel snel lange ketens vormt (polymeriseren), waardoor een harde laag ontstaat die twee oppervlakken stevig aan elkaar verbindt.

Niet-oplosmiddel

“We hebben een heleboel gangbare oplosmiddelen geprobeerd”, laat Martin Kaltenbrunner desgevraagd weten. “Maar bij allemaal zagen we dat er te veel verdunning optrad, waardoor het cyanoacrylaat niet goed kon polymeriseren en de kleefkracht afnam. Toen zijn we gaan zoeken naar een neutrale vloeistof waarin cyanoacrylaat juist niet oplost, waardoor je een dispersie krijgt. Dat is een fijne verdeling van je materiaal in een vloeistof. Zo kwamen we bij 2,2,4-trimethylpentaan uit. Het fungeert daarom als een drager en niet als een oplosmiddel. Overigens vonden we dat paraffineolie ook goed werkt.”

Cyanoacrylaat-secondelijm wordt al gebruikt om wonden te dichten, in plaats van het klassieke hechten met naald en draad. Kaltenbrunner laat in de publicatie geen toepassing in deze richting zien. Liggen daar mogelijkheden? “Zeker, maar dan denk ik eerder aan paraffineolie als drager”, aldus Kaltenbrunner. “Ik denk dat onze lijm mogelijkheden biedt voor medische toepassingen, zolang de drager niet schadelijk is of heel snel vervliegt. We werken actief aan meer biocompatibele lijmen, maar dat onderzoek is nog volop gaande.”