ENGINEERINGNET.BE - Veel van de huidige zachte robots bevatten metalen. Hierdoor is hun functioneren in waterrijke omgevingen, zoals het menselijk lichaam, beperkt.
TU Eindhoven ontwierp daarom een zachte robothand van grafeen en vloeibare kristallen. Promovenda Laura van Hazendonk: "Een vloeibaar kristal gedraagt zich als een vloeistof of een vaste stof, afhankelijk van hoe het wordt geëxciteerd of verstoord. Als het vloeit, gedraagt het zich als een vloeistof."
"Maar in speciale situaties kunnen de moleculen in de vloeistof zichzelf rangschikken om een regelmatige structuur te creëren, zoals een kristal dat je onder een microscoop ziet in een vast materiaal. Deze eigenschap is perfect als het gaat om het maken van zachte robots."
Met de geselecteerde materialen gingen de onderzoekers aan de slag om een actuator te ontwerpen en te maken. "Actuators regelen de beweging in robotsystemen. Gewoonlijk beweegt de actuator wanneer hij wordt gevoed met elektra, lucht of een vloeistof”, zegt Van Hazendonk. "Wij hebben iets anders gebruikt om liquid-crystal network (LCN) actuators aan te drijven."
De onderzoekers ontwierpen een grijperapparaat met vier vingers die worden aangestuurd met LCN-actuators die vervormen door het effect van warmte op grafeen gebaseerde verwarmingselementen of sporen in de vingers van de grijper.
"Wanneer elektrische stroom door de zwarte grafeenbanen loopt, worden de banen warm en dan verandert de warmte van de banen de moleculaire structuur van de vingers van vloeibaar kristal, en sommige moleculen gaan van geordend naar ongeordend. Dit leidt tot buiging van de vingers", zegt Van Hazendonk. "Zodra de elektrische stroom wordt uitgeschakeld, gaat de warmte verloren en keert de grijper terug naar zijn oorspronkelijke staat."
Een van de grootste uitdagingen hierbij had te maken met de grafeenverwarmingselementen, aldus universitair docent Heiner Friedrich. "We moesten ervoor zorgen dat ze de juiste temperatuur bereikten om de vloeibare kristallaag te veranderen, en dat dit met een veilige elektrische spanning kon gebeuren."
Aanvankelijk bereikten de grafeenelementen niet de juiste temperaturen bij veilige voltages, of ze zouden oververhit raken en het apparaat verbranden. De onderzoekers ontwierpen daarom een actuator die zonder problemen werkt bij elektrische spanningen van minder dan 15 volt.
De grijpers kunnen kleine voorwerpen met een massa tussen 70-100 milligram optillen. "In de chirurgie kan dit nuttig zijn voor de exacte en minuscule beweging van kleine gereedschappen, implantaten of biologisch weefsel", zegt Van Hazendonk.
"We willen nu een volledig geprinte robot maken door een vloeibare kristallaag te 3D-printen. Voor onze grijper hebben we de laag gemaakt door materialen in een mal te gieten. Andere onderzoekers van TU Eindhoven hebben laten zien dat vloeibare kristallen geprint kunnen worden. Voor deze grijper hebben we alleen de grafeenlaag geprint, dus het zou gaaf zijn om een volledig geprint apparaat te hebben."
