Het gelukkige huwelijk van robots en origami

Robots die zichzelf uitvouwen: de eerste machines die zichzelf vormen en daarna op eigen houtje op pad gaan.

De uitvouwbare robot in drie stadia van uitgevouwenheid. Seth Kroll, Wyss Institute

Het lijkt alsof hij zomaar tot leven komt, de zelfvouwende robot die Amerikaanse wetenschappers hebben gemaakt. Op een filmpje is te zien hoe hij eerst op de grond ligt, een platgeslagen vouwblaadje in de vorm van een vlinder. Twee hoekjes krullen omhoog. Daarna drukt het ding van kunststof en papier zichzelf op, langs voorgevormde vouwlijnen.

Hop, daar staat hij, op de punten van zijn tenen – en wég is hij, schuifeldeschuif. Een speelgoedautootje zonder wielen, op puntig gevouwen poten.

Wetenschappers van Harvard en het Massachusetts Institute of Technology berichten vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Science over deze bijzondere robot. Nooit eerder lukte het om een machine te bouwen die zichzelf vormt en daarna op eigen houtje op pad gaat. De basis voor dit wonderlijke robotje zijn origamitechnieken (technieken uit de Japanse papiervouwkunst) en een kunststof met ‘vormgeheugen’, materiaal dat door opwarming terugkeert in zijn oorspronkelijke vorm. „Bestaande technologieën”, zegt eerste auteur Sam Felton (Harvard) in een telefonische toelichting. „Maar niemand heeft ooit laten zien dat je ze kunt combineren tot een complexe machine. Laat staan een machine die zichzelf kan vouwen.”

Volgens Felton zou de nieuwe robot kunnen helpen met reddingswerkzaamheden, omdat hij door een smalle spleet past en zichzelf daarna kan uitvouwen om bijvoorbeeld water of voedsel te bezorgen. De uitvouwtechnologie heeft ook andere toepassingsmogelijkheden dan robots, bijvoorbeeld meubels die zichzelf in elkaar zetten nadat ze bezorgd zijn of zonnepanelen die zichzelf uitvouwen nadat een raket ze in de ruimte heeft gebracht.

Het ontstaan van de robot doet denken aan een versneld filmpje van een zich ontpoppende vlinder of een bloem die uit de knop komt. „Geen gekke vergelijking”, vindt Felton. „Het bloeien van een bloem en het uitvouwen van een insectenvleugel laten zien dat er in de natuur allerlei manieren bestaan om een grote structuur in een kleine ruimte te prakken. Het aanbrengen van vouwen is in de natuur een manier om materiaal stijf te maken zonder dat het zwaar wordt.”

De vouwblaadjes die Felton en zijn collega’s voor hun robots gebruiken bestaan uit vijf lagen: twee lagen kunststof met vormgeheugen aan de buitenkant, daarbinnen twee lagen papier en in het midden een laagje hittebestendig materiaal met koperdraad. Het materiaal met vormgeheugen, prestretched polystyrene, wordt ook gebruikt voor goedkoop kinderspeelgoed. „Krimpie dimpie knutselfolie”, zegt Felton. „Daarop maken kinderen een kleurrijke tekening die ze in de oven laten verschrompelen tot een klein sierraad.”

De vouwlijnen, Felton spreekt van scharnieren, maken de wetenschappers door het laagje kunststof en het laagje papier aan één zijde weg te etsen, zodat er gootjes ontstaan. Een computerprogramma in een blauwe besturingsunit bovenop de robot bepaalt op welk moment stukjes koperdraad stroom gaan geleiden en warmte gaan afgeven. Door de temperatuur rond de koperdraden op te schroeven tot honderd graden Celsius bepaalt Felton hoe de robot zich vouwtje voor vouwtje opricht. Op plaatsen waar hij een smal gootje in de vouwblaadjes etste, ontstaan stompe hoeken. In bredere gootjes is meer ruimte om het papier dubbel te vouwen: daar komt een scherpere vouw.

Om een sterke en lichte robot te krijgen gebruikte Felton een computerprogramma dat berekent welke patronen van vouwlijnen nodig zijn voor een specifieke driedimensionale vorm. Zijn basis was een vouwpatroon van pieken en dalen dat is uitgevonden door en vernoemd naar de Japanse astrofysicus Koryo Miura.

„De cyclische vouwen van Miura die wij als bouwblok hebben genomen zijn eigenlijk helemaal niet zo ingewikkeld”, zegt Felton. „Origami-wetenschapper Tomohiro Tachi van de universiteit van Tokio heeft een computerprogramma ontwikkeld dat voorspelt welke functionele eigenschappen uit deze vouwen ontstaan. Die software hebben wij gebruikt voor ons ontwerp. Eén vouw is niet sterk genoeg om onze robot op poten te houden, maar een heleboel vouwen samen zorgen voor de stijfheid die wij nodig hebben.”

    • Michiel van Nieuwstadt