Nieuwe robots: geen harde ‘metalen mens’, maar een zachte olifantenslurf die voelt als een hand

De robotvinger buigt met kracht naar binnen. Al is ‘robotvinger’ een groot woord voor dit opkrullend strookje plastic in het soft robotics-lab van de Universiteit Twente. Het heeft meer weg van een schuursponsje in een vacuüm getrokken boterhamzakje. Een hand zit er niet aan, laat staan een robot. En toch is best voor te stellen dat ooit een hele arm van dit plastic gemaakt zal zijn, die taken kan verrichten die met zachte hand moeten gebeuren, zoals fruit plukken.

Bij robots denk je misschien aan Disney’s Wall-E, aan stoere Transformers of aan C3PO en R2D2 uit Star Wars. In staal uitgevoerde mensen, kortom. In werkelijkheid zijn de meeste robots noeste arbeiders die in afgeschermde omgevingen hun werk doen. In de autofabriek of het laboratorium bijvoorbeeld. Traditionele robots zijn goed in werk waar veel kracht, precisie of snelheid bij komt kijken. De postsorteermachine is een robot, de koffieautomaat ook.

Maar de wens groeit om robots bij de echte wereld te betrekken. Om voedsel te verwerken, om onderzoek te doen op moeilijk bereikbare plekken en om hulp te verlenen in, om en naast het menselijk lichaam. Dat vraagt vaardigheden waarin traditionele robots niet goed zijn. De echte wereld is complexer dan de veilige kooi. Het vraagt om aanpassingsvermogen en een zachte aard.

Er is daarom een nieuwe klasse van robots in aantocht: zachte robots. Gemaakt van zachte, beweeglijke materialen, vaak plastics, rubbers of textiel, en zonder scharnieren en motortjes die zo kenmerkend zijn voor traditionele robots. De zachte robots zijn vaak op de natuur geïnspireerd, waar aanpassingsvermogen en zachtheid al veelvuldig worden gecombineerd met kracht en precisie. Ze bewegen op lucht, in een vacuüm, door stroom, dankzij elektrostatische aantrekkingskracht of vormgeheugen.

Een traditionele robothand kun je ook best zo programmeren dat hij voorzichtig sluit om een vrucht. Maar daar komen een hoop sensoren en kleine scharnierbewegingen aan te pas. Een zachte robothand blaas je op, of zuig je vacuüm, en dat is het. De beweging is vanzelf subtiel, het materiaal doet het werk.

Dat is het idee althans. Zachte robots met volledige ‘lijven’ en volledige functionaliteit zijn tot nog toe op twee handen te tellen. Onderzoekers zijn nog bezig met fundamentele vragen: hoe laten we iets bewegen, hoe laten we het voelen? En zelfs: waar zullen we het van maken, welke materialen doen wat ik wil?

Meegaand en gebruikersvriendelijk

Sinds een jaar of tien wordt nu aan dergelijke vragen gewerkt. Het begon mondjesmaat. Tijdschriften publiceerden aan het begin van de jaren tien enkele tientallen onderzoeken per jaar. Dat is gegroeid naar ruim tweeduizend gepubliceerde onderzoeken in 2021, leert een korte zoektocht in de wetenschappelijke zoekmachine Scopus.

„Strikt gezien is het vakgebied al wel ouder”, zegt Ali Sadeghi, hoofd van het soft robotics-lab van de Universiteit Twente. „In Japan schreven onderzoekers in de jaren tachtig al over een nieuwe klasse robots die meegaander en gebruikersvriendelijker zou zijn dan traditionele robots. Ze ontwierpen ook enkele voorbeelden, maar het zette niet door.” Belangrijke oorzaak: de vormen die ze voor ogen hadden konden nog niet goed gemaakt worden van zachte materialen.

Pas een jaar of tien geleden werd meer mogelijk. „Veel onderzoekers waren toen bezig met elektroactieve polymeren, plastics die vervormen als ze onder stroom worden gezet”, zegt Sadeghi. „Ook verliep in 2009 het patent op 3D-printers. Zo’n apparaat kostte tot dan toe tien- tot twintigduizend euro, en was toen ineens beschikbaar voor zo’n tweehonderd euro. Ontwerpen met nieuwe materialen en vormen werden daarmee veel toegankelijker.” Tegelijkertijd groeide de interesse in biogeïnspireerde ontwerpen.

In Nederland richtten de TU Delft, de TU Eindhoven, Wageningen Universiteit en de Universiteit Twente in 2019 het consortium Dutch Soft Robotics op, om het onderzoek naar zachte robotica dat her en der aan de Nederlandse universiteiten plaatsvond samen te brengen en te versterken. Sadeghi’s lab in Twente, waar de sponsachtige plastic robotvinger gedemonstreerd wordt, bestaat nu ruim een jaar. Het lab heeft de gezelligheid van een rommelige keuken vol apparatuur. Het onderzoek hier drijft op 3D-printers, vijf stuks, die op een lange tafel tegen de achtermuur staan.

De 3D-printer is zo nuttig omdat elke denkbare vorm eruit kan komen. In dunne laagjes wordt een vorm opgebouwd. Doorgaans gebeurt dat met plasticdraad dat van een rol komt en dat hard wordt als het eenmaal uit het spuitmondje is gekomen. In het soft robotics-lab willen ze met zachtere materialen werken. Dat kan, maar niet zomaar. Wie dichterbij komt ziet dat aan bijna alle printers is gesleuteld om dat voor elkaar te krijgen. Aan de een zit met tape een extra reservoir geplakt, aan een ander is een tweede spuitmondje toegevoegd. Ook de manier waarop het plastic tot bij het spuitmondje gebracht wordt is bij een aantal printers aangepast.

Sponsachtig ding

„Dat sponsachtige ding dat ik net liet buigen, maken we met balletjes van thermoplastisch rubber”, zegt Nick Willemstein. Hij is promovendus biomechanical engineering aan de Universiteit Twente en onderzoekt nieuwe mogelijkheden voor printers en materialen. Uit een glazen potje schudt hij een paar balletjes in zijn hand. Ze doen denken aan de balletjes die je in een schoenendoos vindt om vocht op te nemen, maar dan zachter. „Omdat ze zacht zijn is het lastig om ze door het spuitmondje te krijgen. Je kunt ze er niet doorheen drukken, zoals met een harde plastic draad wel kan. Daarom hebben we een soort schroef boven het spuitmondje gezet. In de groeven zitten de balletjes, die worden zo richting het spuitmondje geforceerd.”

Willemstein is de eerste die een zachte robotvinger in deze sponsachtige structuur heeft geprint, opgebouwd uit kleine plastic cirkeltjes die over en naast elkaar liggen. Hij printte in eerste instantie simpele vierkantjes om de stijfheid bij verschillende dichtheden te testen. Maar er ligt een keur aan voorbeelden op tafel die allemaal een andere vorm hebben, steeds een rechthoekige basis met daarop verdikkingen. Bij de ene zitten de verdikkingen recht over de breedte, bij de andere in diagonalen. Ze maken allemaal een andere beweging als Willemstein er met hulp van een plastic zakje een vacuüm op zet. Recht rolt op als een vinger, diagonaal zorgt voor een twist als een wokkel.

In de zachte robotica geldt: de vorm ís de beweging. Anders dan in de traditionele robotica, waar scharnieren vaak onderdeel zijn van het lichaam, waar je de rotatie kunt instellen en bewegingen kunt programmeren, is bij zachte materialen de beweging besloten in het materiaal en het ontwerp. Het sponsje van Willemstein kan óf een twist maken, óf oprollen.

Het samenkomen van vorm en functie maakt ook dat kennis uit veel vakgebieden samenkomt in een zachte robot. Traditionele robotica drijft op engineering en computerkunde, bij zachte robotica is daarnaast ook kennis uit onder meer de mechanica, materiaalkunde en zelfs biologie nodig.

Het bezoek aan het lab zou eigenlijk maanden eerder al plaatsvinden. Sadeghi en Willemstein hoopten de kunsten van een nieuwe, door hen ontworpen printer te kunnen vertonen, maar nog steeds wachten ze op onderdelen. Ze willen twee soorten zacht plastic tegelijk printen zodat de eigenschappen van de materialen vloeiend gecombineerd kunnen worden. Het ene plastic is dan bijvoorbeeld zacht basismateriaal, het andere is zacht én geleidend. Willemstein moet nu tussendoor steeds het spuitmondje schoonmaken. Een tijdrovend klusje en alsnog is het resultaat niet zo netjes als gewenst.

„Geleidend materiaal gebruiken we om de robot te laten voelen”, zegt Willemstein. Het voordeel van zachte onderdelen is dat ze fijn meebuigen, maar als je niet weet waar de buiging precies zit, en hoe sterk de buiging is, kun je niet zoveel met de robot. „Als hij kan voelen, kan hij pas interactie hebben met de dingen die hij vastpakt.”

Willemstein legt tussen twee metalen plaatjes een versie van zijn sponsje waarin ook het geleidende plastic zit en laat een stroompje lopen. Hoe harder hij het handvatje bovenop indrukt, hoe minder weerstand het stroompje ondervindt op zijn weg van het ene naar het andere metalen plaatje. Op zijn laptopscherm zien we een lijntje bewegen als hij drukt en loslaat. „Zo is te meten hoe sterk het materiaal vervormt”, zegt Willemstein. Wáár de vervorming precies zit, is zo nog niet te zeggen. Daar werken ze nog aan.

Kleurtjes aan de binnenkant

Er zijn meer technieken om vervorming te meten. Met licht in combinatie met kleur is ook te achterhalen waar de vervorming zit. Aan de TU Delft is vorig jaar bijvoorbeeld een holle robothand ontwikkeld met kleurtjes aan de binnenkant. Zet er een lichtje op, meet de kleur van het reflecterende licht, en je weet waar hij buigt. Andere onderzoekers deden vrijwel hetzelfde maar dan met gekleurde glasvezels over de rug van de hand. En dan zijn er nog luchtdruk, magnetische velden en allerlei gevoelige folies en coatings waarmee gemeten kan worden.

In het lab in Twente willen ze de mogelijkheden van de 3D-printer de komende jaren nog verder oprekken. Neem siliconenrubber, een geliefd materiaal om zachte robots van te maken. Dat wordt meestal met behulp van mallen in een vorm gegoten. In een mal kan het rubber rustig opdrogen. Maar het is een lastige techniek, waarbij bijvoorbeeld ongewenste bubbels de robot kunnen verpesten. Printen voorkomt dat, en het geeft weer andere mogelijkheden wat betreft vorm.

Maar wie weleens stroop in een leuk vormpje op een pannenkoek heeft geknepen weet: vloeibaar materiaal loopt uit. Sadeghi en zijn studenten experimenteren daarom volop met de juiste mix van zachte rubbers, en zoeken naar de perfecte afstand tussen het reservoir tot het spuitmondje zodat het rubber al enigszins gestold is en niet meer enorm uitzakt als het eenmaal geprint is.

Hoewel de eerste zachte robots die eruitzien als een ‘eindproduct’ er al wel zijn, zitten de meeste onderzoekers voorlopig nog in deze creatieve priegelfase. Voorbij het priegelen lonkt de eenvoud. Geen scharnieren meer die motorgestuurd en schokkerig hun werk doen. Opblazen, vacuüm of stroom erop en klaar. Subtiliteit gegarandeerd.

„Ik heb goede hoop dat 3D-printers over een paar jaar succesvol genoeg zijn om zachte, bewegende robotledematen in elke gewenste vorm te printen”, zegt Sadeghi. „De droom is dat we in een handomdraai iets printen dat lijkt op een diertje. Ik zie ook allerlei toepassingen als wearable, voor mensen met een lichamelijke beperking. En in huis: een bank die zich perfect aanpast aan het lichaam van degene die erop zit is echt geen fictie. Maar eerst moeten we het bewegen op orde krijgen. Zonder gecontroleerde beweging geen zachte robot.”