Minirobot loopt en voetbalt op licht

Materiaalkunde Een stripje met vloeibare kristallen buigt onder invloed van licht. Acht zulke stripjes aan elkaar vormen een robotje dat beweegt.

De minirobot uit Eindhoven bestaat uit pootjes en armpjes die kunnen strekken en buigen door moleculen die reageren op licht. Het kan lopen, voetballen en iets oppakken en weggooien.
De minirobot uit Eindhoven bestaat uit pootjes en armpjes die kunnen strekken en buigen door moleculen die reageren op licht. Het kan lopen, voetballen en iets oppakken en weggooien. Foto Marina Pilz da Cunha

Pootje voor pootje loopt het bijna doorzichtige robotje van nog geen 3 centimeter groot om een gekleid palmboompje heen. En het schopt in vier passes een voetballetje het doel in. De lichtgewicht robot, gemaakt door onderzoekers van de TU Eindhoven, is de eerste robot die alleen met licht te besturen is, zich in vier richtingen kan voortbewegen, en óók (bescheiden) lading transporteert. De makers beschreven de minirobot twee weken geleden in het tijdschrift Advanced Science.

In het Helix-gebouw van de faculteit Scheikundige Technologie zet promovenda Marina Pilz da Cunha een glazen kubusje met daarin de robot en het gekleide palmboompje op tafel. „Dit is ’m!” De robot bestaat uit acht strips: vier gele pootjes, twee rode armpjes en twee korte grijperstrips.

Vloeibare kristallen

Alle strips bestaan uit vloeibare kristallen vermengd met moleculen die op licht reageren (chromoforen). Het mengsel van lichtgevoelige moleculen en vloeibare kristallen wordt eerst uitgelijnd en vervolgens aan elkaar gekoppeld (gepolymeriseerd) zodat een netwerk ontstaat. Door er licht op te schijnen worden de lichtgevoelige delen actief en komt het robotje in beweging.

„In rusttoestand zijn de poten en armen gebogen”, legt Pilz da Cunha uit. „Maar licht van een bepaalde golflengte zorgt ervoor dat de moleculen in de ene richting samentrekken, en in de andere richting uitrekken. Op die manier vervormt het materiaal.”

De robot loopt ongeveer zo. Door met een ledlampje blauw licht te schijnen op twee tegenover elkaar staande pootjes rekken die zich een beetje uit (maar niet helemaal), en komt het robotje iets hoger te staan. Dan wordt er feller licht op het voorste ‘looppootje’ geschenen, zodat die zich helemaal in de looprichting uitstrekt. Als nu het licht op de eerste twee pootjes dooft, trekken ze samen en komt de robot weer lager te staan. Krijgt ook het looppootje geen licht meer, dan trekt die samen en sleept de robot zich voort - het heeft een stapje gezet.

We wilden er een functioneel iets van maken, dat alle kanten op loopt en iets kan oppakken, transporteren en afleveren.

In 2017 maakten onderzoekers aan de TU Eindhoven al een polymeerfilm dat zichzelf als een worm kon voortbewegen door middel van licht. Maar dat was nog maar één richting op: naar voren of naar achter. Pilz da Cunha is met dat ontwerp doorgegaan: „We wilden er een functioneel iets van maken, dat alle kanten op loopt en iets kan oppakken, transporteren en afleveren.” Hiervoor gebruikte zij acht polymeren filmpjes in plaats van één en onderzocht, door te kijken naar hoe dieren lopen, op wat voor manier ze de lopende bewegingen kon nabootsen.

Pilz da Cunha: „Uiteindelijk willen we robotjes zonder batterijen of draden maken. En om het toch op afstand te kunnen besturen moet je gebruikmaken van de materiaaleigenschappen.” Andere manieren om materialen op afstand te besturen is gebruikmaken van bijvoorbeeld luchtvochtigheid of warmte.

Een heel lelijke voetballer

„Heb je hem al zien voetballen?”, vraagt Albert Schenning, die de groep Stimuli-responsive Functional Materials and Devices in Eindhoven leidt. „Je weet misschien wel dat de TU Eindhoven bekendstaat als kampioen robotvoetballen. Nou, wij hebben een heel lelijke voetballer gemaakt.”

De Eindhovense wetenschappers giechelen om een filmpje waarin een robotje, langzaam maar zeker, in vijf schopjes een doelpunt maakt in een zelfgeknutselde miniatuurgoal. Een ander filmpje laat zien hoe de robot met zijn armpjes een klein plastic bolletje oppakt, naar een bakje loopt en het daarin lanceert.

De droom is, zegt Schenning, om een robot als deze uiteindelijk op millimeterformaat te maken, voor biomedische toepassingen. Dan kun je hem bijvoorbeeld cellen van de ene naar de andere plek in het lichaam laten brengen.

Maar voordat het zover is, moet de robot nog een hoop andere hindernissen de baas worden. „Zo onderzoeken nu hoe we ’m aan het lopen kunnen krijgen in een laagje water”, zegt Schenning. „Dat lijkt op bloed, of een andere vloeistof. Want voor biomedische toepassingen moet het ook in dat soort omgevingen zijn taken uit kunnen voeren.”