Octopus als robot

Technologie

Kakkerlak-robot, robo-rog en octo-bot – onderzoekers bouwen steeds meer robots die uit vervormbare materialen bestaan. Zachte robots moeten de metalen en onhandige robots veiliger en beweeglijker maken. De inspiratie komt veelal van waterdieren.

Op tafel liggen allerlei vouwwerken van plastic en papier. En een halfcirkelvormig rubberen slangetje, ongeveer 15 centimeter lang. „Dit is mijn speelgoed”, zegt Bas Overvelde. Hij is net een eigen groep gestart bij onderzoeksinstituut Amolf in Amsterdam, na drieënhalf jaar promotieonderzoek aan Harvard.

Overvelde werkt aan zachte robots. Dat zijn robots die deels, of geheel, uit zachte, vervormbare materialen bestaan. Ze moeten de huidige, volledig metalen en onhandige robots veiliger en beweeglijker maken.

En er verschijnen er steeds meer van. Alleen al dit jaar. Eerst was er de flexibele kakkerlak-robot (PNAS, online 8 februari), een paar maanden later de zwemmende rog-robot (Science, 8 juli). En vorige week verscheen de octopus-robot, de eerste robot die compleet uit zachte materialen bestaat, inclusief de aandrijving van zijn acht armen (Nature, 24 augustus).

De ontwikkelingen gaan de laatste vijf jaar erg snel, zegt Overvelde. Dat komt doordat het maken van prototypes zoveel eenvoudiger is geworden. Dat beaamt Robert Wood, hoogleraar Microrobotica aan Harvard University, die de vorige week gepubliceerde studie over de octopus-robot coördineerde. „3D-printen, lasersnijden, kunststof gieten. Het is allemaal zoveel verbeterd”, schrijft hij in een e-mail.

Wood en Overvelde verwachten veel van zachte robots. Zeker omdat de ontwikkeling van robots in een stadium is beland waarbij ze zich meer tussen mensen gaan begeven. In bejaardenhuizen, operatiekamers, pretparken. „Als je zacht bent is de kans kleiner dat je mensen beschadigt”, schrijft Wood.

Maar er is meer dan alleen veiligheid, zegt Cecilia Laschi, hoogleraar Biorobotica aan de Scuola Superiore Sant’Anna in Pisa. „De belangrijkste eigenschap die zachte robots wel hebben, en gangbare robots nog missen, is compliance.” Het betekent zoiets als aanpasbaarheid. Denk aan een robot die na een aardbeving tussen het puin door naar overlevenden zoekt, zijn lichaam daarbij continue vervormend. Dat is voor een metalen, stijve robot onmogelijk.

Klassieke robot moet stijf zijn

Laschi noemt een ander voorbeeld: de knie. Als een mens over ruw terrein loopt, passen spieren en pezen rond het kniegewricht zich voortdurend aan, door te verstijven en te verslappen. De huidige robots missen dat vermogen om zich aan een steeds variërende omgeving te kunnen aanpassen. „Sterker nog”, zegt Laschi, „het wordt in de programmatuur juist bestreden.” Want die robots moeten heel nauwkeurig werken. Bijvoorbeeld bij het assembleren van een auto. „Ze mogen zich niet laten beïnvloeden door de buitenwereld”, zegt Laschi, die een Europees onderzoeksprogramma voor zachte robots coördineert.

Wat opvalt aan de bestaande zachte robots is dat er veel zijn gebaseerd op in het water levende dieren: octopus, vis, kwal, rog. Dat is geen toeval, zegt Laschi. Dieren die in het water leven hebben verhoudingsgewijs veel zachte delen. Dat is mogelijk omdat de werking van de zwaartekracht er deels wordt opgeheven door de grotere dichtheid van het water. „Je hebt niet per se een hard skelet nodig om het inzakken van het lichaam te voorkomen.” Het maakt waterdieren interessant studiemateriaal.

Voor haar eigen onderzoek vroeg Laschi aan haar vader, een amateurvisser, om levende octopussen aan te leveren. Ze houdt ze in haar lab, en heeft hun fijne motoriek en anatomie uitvoerig bestudeerd. Elke arm zit vol met groepen spieren in allerlei richtingen, zegt ze. En in elke arm zitten 50 miljoen zenuwcellen. „Je hoeft dat niet tot in detail na te bootsen”, zegt Laschi. „Als je het concept van de vervormingen maar begrijpt. Dat doen we inmiddels.”

Behalve een octopus-robot heeft ze met collega’s ook een octopus-arm nagebouwd. Die wordt getest in medische toepassingen. Bijvoorbeeld om endoscopen vloeiende bochten te laten maken tijdens operaties.

Maar hoe laat je nou een materiaal, bijvoorbeeld een stuk rubber, gecontroleerd bewegen? In zijn werkkamer pakt Overvelde het slangetje dat op tafel ligt en wiebelt het heen en weer. Hij vertelt dat het van verschillende soorten siliconenrubber is gemaakt. De vlakke onderkant is stijver dan de ronde bovenkant. Door de slang zitten kanaaltjes. Blaas je daar lucht door, dan zet je het rubber onder druk. Omdat de bovenkant slapper is dan de onderkant, buigt de ene kant meer dan de andere. Kortom, het slangetje kromt. Overvelde: „Voilà, je hebt beweging.”

Dit is het pneumatische principe: beweging door luchtdruk. Zo werken ook een paar van de vouwwerken die bij hem op tafel liggen. Eentje is er opgebouwd uit aan elkaar geplakte, open kubussen van transparant plastic. In de ribben zijn her en der opblaasbare luchtkamertjes aangebracht. Gaat er lucht doorheen, dan verandert de constructie van vorm. Totdat hij zelfs helemaal plat ligt. „Denk aan een dak dat van vorm verandert als het gaat regenen”, zegt Overvelde.

Bekijk hieronder zes zachte robots

Naast het gebruik van luchtdruk zijn er op het moment nog twee andere methodes populair, zo schreef de Italiaanse Laschi in een overzichtsartikel (Trends in Biotechnology, mei 2013). Er wordt gewerkt aan materialen die vervormen door een spanningsverschil. Dit speelt een belangrijke rol in de zoektocht naar kunstmatige spieren. Daarnaast zijn er de geheugenmetalen die afhankelijk van de temperatuur van vorm veranderen. Het metaal zit dan bijvoorbeeld als een dunne spiraal in een zachte kunststof gegoten. Op basis van dit principe heeft Laschi die octopus-arm gebouwd.

„Alledrie de principes hebben voor- en nadelen”, zegt Laschi. Bij geheugenmetalen moet je alert zijn op oververhitting. Bij door een spanningverschil vervormbare materialen is het ontwerp complex.

Overvelde benadrukt dat het onderzoek naar zachte robots nog in de beginfase zit. Je ziet het op filmpjes van bijvoorbeeld de octo-bot of de robo-rog. Ze bewegen nog vrij onbeholpen. „Het onderzoek is speels, exploratief. We proberen en combineren van alles.”

Volgens Robert Wood liggen de grootste barrières bij het vinden van goede bewegende onderdelen, die de werking van spieren benaderen. Ook de energie-voorziening is nog een probleem. Luchtdruk of hitte worden nu vaak van buitenaf aangevoerd, via slangen of kabels. Dat beperkt de bewegingsvrijheid. De octo-bot die hij mee heeft helpen ontwikkelen, is in die zin alweer een stap verder. Die had een ingebouwde aandrijving, die luchtdruk levert. Maar ook dit was nog beperkt. Na maximaal 8 minuten is de energievoorraad op. Bovendien reageert de robot nog niet op zijn omgeving. Hij mist sensoren. „Dit is onderwerp van toekomstig onderzoek.”

Liefst niet alle kanten op

Overvelde wil die functies allemaal combineren in liefst één materiaal. Dat bijvoorbeeld een verandering van druk of temperatuur in de omgeving aanvoelt, en daar dan automatisch op reageert door te vervormen. Maar wel gecontroleerd. Want dat is een ander probleem van zachte robots. Ze bewegen wel soepel, maar ze moeten ook weer niet alle kanten op willen. Dat dreigt de besturing, via bijvoorbeeld software, ingewikkelder te maken.

Laschi denkt ook al vooruit. „We willen gaan werken aan robots die schade bij zichzelf kunnen repareren, die zichzelf uit onderdelen kunnen opbouwen, of die van gedaante kunnen wisselen.”