Zachte robotspier is ijzersterk

Er zijn bijvoorbeeld zogeheten geheugenmetalen die buigen door een elektrische spanning, maar hun mate van vervorming is klein. Ook zijn er polymeren die hetzelfde doen, maar een erg hoge spanning vereisen. Tot slot wordt er gewerkt met systemen die gassen of vloeistoffen rondpompen, maar die zijn relatief complex en groot.

Nu komt er een nieuwe concurrent bij. Wetenschappers van de Columbia universiteit in New York presenteren een materiaal van siliconen (een rubberachtig materiaal) dat een aantal gunstige ‘spiereigenschappen’ combineert. Onder invloed van een spanning van vijftien volt zet het flink uit en kan het ruim duizend keer zijn eigen gewicht tillen. Bovendien is het goedkoop en makkelijk te vormen met een 3D-printer. De ideale spier voor bijvoorbeeld robots of protheses is wellicht een stapje dichterbij. Het onderzoek werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Verdampingsspier

Het recept voor de robotspier gaat als volgt. De rubberachtige siliconen (PDMS om precies te zijn) worden eerst met ethanol gemengd. Het mengsel is vervolgens in een mal te gieten of laag voor laag te 3D-printen in de gewenste vorm. Wanneer de siliconen stollen komt het ethanol terecht in kleine blaasjes in het materiaal, dat met 860 gram per liter relatief licht is.

Het principe van de kunstmatige spier is vervolgens vrij simpel: dunne geleidende draden die als een spoel door het materiaal lopen verhitten de siliconen wanneer er stroom doorheen loopt. Bij ongeveer 78 graden Celsius verdampt de ethanol en zet uit: de belletjes blazen het materiaal als het ware op.

Zachter versus harde robotica

Volgens de betrokken onderzoekers komt dit kunstmatige materiaal wat betreft eigenschappen en prestaties redelijk dichtbij een natuurlijke spier. Ook Giorgio Oliveri en Agustin Iniguez zijn onder de indruk, twee wetenschappers van de _Soft Robotic Matter_-groep van onderzoeksinstituut AMOLF. Daar werken ze aan ‘zachte robotica’ en vergelijkbare materialen. “Dit soort zachte systemen zijn meestal niet zo sterk, maar deze wel”, zegt Oliveri. “Daarnaast zijn de siliconen niet giftig. Dit type materiaal kan in de toekomst misschien gebruikt worden in een lichaam, bijvoorbeeld als spier in een kunsthart. Dat is iets wat wij proberen te ontwikkelen.”

De levensduur en efficiëntie van het materiaal kunnen wellicht wel wat beter. “Het ethanol lekt langzaam uit het materiaal en zodra het eruit is, werkt de spier niet meer”, zegt Iniguez. “Verder wordt slechts 0,2 procent van de elektrische energie die erin gaat omgezet in beweging, niet echt een hoge efficiëntie als je het vergelijkt met biologische spieren die wel dertig of veertig procent halen. De heilige graal is een kunstspier die wat dat betreft even goed of beter presteert dan de natuur.”

Het veld van de ‘zachte robotica’ is relatief nieuw en klein in vergelijking met de klassieke harde robotica. Maar de AMOLF-onderzoekers zien een mooie toekomst. “Als je wil dat robots echt met mensen gaan samenwerken, dan moet je ze wat materiaal betreft ook meer op ons gaan lijken”, zegt Oliveri. “Een simpel voorbeeld, schud jij liever een koude en harde of een warme en zachte robothand?”