Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - Zo zijn er kruipende octopus robots en soepele grijpers, op het model van een olifantenslurf, bijvoorbeeld, die rubberachtige materialen gebruiken. Ze zijn vooral bedoeld om kwetsbare materialen te behandelen.
Ze zijn ‘veiliger’ in de omgang met mensen, als cobot. Ze absorberen vlot schokken maar zijn zelf vrij gevoelig voor scherpe objecten. Nu pakte Brubotics uit met een manier om die kwetsbaarheid op te vangen. Midden augustus publiceerde Science Robotics hun onderzoeksresultaten. (*)
Zelfhelende covers van sommige smartphones en de zelfhelende lak van auto’s, waarbij krassen vanzelf uitvlakken onder de zonnewarmte, trokken de researchers op dreef. “Wellicht was onze demo de eerste implementatie voor robotonderdelen en is daarom onze paper aanvaard geworden”, vermoedt Bram Vanderborght aan het roboticalab aan de VUB.
Diels-Alder polymeren
De onderzoekers gebruiken temperatuurgevoelig elastisch materiaal dat uit cross-linked Diels-Alder polymeren bestaat. De grote moleculen van de thermoharder zijn hittegevoelig.
Bij 80°C laten de zwakke bindingen in de netwerkstructuur los maar zodra de temperatuur terugvalt tot zo’n 25°C grijpen ze plots weer in elkaar… Er is geen verkleuring, geen littekens en functioneel presteert het materiaal vrijwel zoals voorheen (98 tot 99%). Het systeem kan zich een groot aantal keren helen. Bovendien is het materiaal, dat in chloroform ontbindt, grotendeels recycleerbaar.
De zelfherstellende eigenschappen van het materiaal vergen wel dat beide wanden van de snede bij elkaar gebracht worden. Gaat het om een pneumatische component, dan volstaat vaak het wegnemen van de druk. Anders moet het materiaal tegen elkaar gezet worden. De gezochte Diels-Alder-reactie vergt echter wel dat het stuk opgewarmd wordt gedurende zo’n 40 minuten bij 80°C.
Grenzen aftasten
Het Brusselse project past de oplossing toe op drie robotonderdelen, een grijper, robothand en kunstspier, die op luchtdruk werken. De componenten werden gecontroleerd beschadigd om vervolgens het ‘zelfherstel’ zijn werk te laten doen. Realistische schade herstelde volledig zodat de component weer on line kon.
Het zelfherstellend systeem werkt niet als er materiaal weggenomen is. Een ‘groot gat’ is dus niet op deze manier te herstellen. Er groeit immers geen materiaal bij. Het systeem werkt wel, ook al zijn de wanden van de snede niet precies op de oorspronkelijke plek gehecht. “Het is dus mogelijk, wanneer er niet correct gehecht wordt, dat het zich fout herstelt. Naderhand blijf je dan wel een litteken zien. Komt er stof of vuil in de snede, bekom je misschien een zwakke schakel.”
Omdat het helen warmte vergt, kan je het herstel inplannen. Een voorbeeld: bij pneumatica-toepassingen kan een snee in een tube een lek veroorzaken waardoor de druk minder is maar waarbij je misschien toch nog de job kunt verderzetten “om het herstelproces ‘s nachts op te starten. Eenmaal de perslucht weg is, komen de wanden van de snede vanzelf weer bij elkaar.”
Van lab naar de industrie
De materiaalkundigen kunnen stijve en soepele eigenschappen inbouwen in zelfhelend materiaal door de polymeerlengte aan te passen. Zo kunnen ze tussenliggende eigenschappen ‘(bv. stijver met zachter materiaal) bekomen.
Grenzen? Van 400% tot minder dan 1%. Zowel dikke als dunne materialen lukken. “Wij werken op nauwelijks enkele millimeter”, rekent Vanderborght. Sommigen triggeren dergelijke zelfhelende werking met licht. “Wij gebruiken uitsluitend warmte. Helende materialen die licht noch warmte vergen? “Dat vergt verder onderzoek.”
Vandaag, op laboschaal, kosten deze materialen behoorlijk veel. “Op grote schaal hoeven ze niet veel duurder te zijn dan doorsnee materialen. Er is echter nog onderzoek nodig om het product naar de markt te brengen”, zegt Vanderborght die langs het FWO met de KULeuven nieuwe productietechnieken, zoals 3D printing zoekt te ontwikkelen.
Ondertussen vraagt hij ook een Europees onderzoeksproject aan voor het ontwikkelen van inbouwsensoren om ‘pijn’ te detecteren, denk aan haarscheurtjes of microcracks, vooraleer er fatale schade optreedt.
Door Luc De Smet, Engineeringnet Magazine
(*) Seppe Terryn, Joost Brancart, Dirk Lefeber, Guy Van Assche and Bram Vanderborght : Self-healing soft pneumatic robots, in Science Robotics, 16 August 2017
