Een enkele vezelactuator geïnspireerd op menselijke spieren

Om de bewegingen van mensen en dieren effectief na te bootsen, moeten robots spierachtige structuren integreren. Deze kunstmatige spieren zouden een optimale prestatie moeten bereiken over alle relevante bedieningsparameters, inclusief energiedichtheid, spanning, stress en mechanische kracht.

Onderzoekers van de KAIST en Pusan ​​National University in Zuid-Korea hebben onlangs een actuator ontwikkeld voor robottoepassingen die is geïnspireerd op de skelet- en spierstructuren van zoogdieren. Deze actuator, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologieis gebaseerd op zachte vezels met sterke samentrekkende eigenschappen.

“Ik kwam te weten over liquid crystal elastomer (LCE) actuatoren tijdens een academische bijeenkomst met prof. Suk Kyun Ahn, een van de co-auteurs van het artikel,” vertelde Sang Ouk Kim, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde. Fys.org. “LCE’s zijn veelbelovende zachte actuatormaterialen met ongewoon grote omkeerbare dimensionale verandering (krimp/relaxatie) bij activering, wat zelden wordt waargenomen in andere soorten actuatormaterialen, maar zeer belangrijk is om het natuurlijke skeletspiergedrag ideaal na te bootsen.”

Veel actuatoren die in het verleden zijn ontwikkeld, zijn gebaseerd op LCE-materialen, een klasse polymeren die snel van vorm kunnen veranderen als reactie op prikkels uit de omgeving. Ondanks hun vormveranderende voordelen, is bekend dat LCE-polymeren worden geassocieerd met de relatief slechte mechanische eigenschappen en het zwakke bedieningsgedrag.

Om deze beperking te overwinnen, besloten Kim en prof. Ahn om supersterke grafeenvullers op te nemen in LCE-actuatoren. Naast het verbeteren van hun mechanische eigenschappen, verwachtte het team dat de grafeenvullers lichtgestuurde, snelle en op afstand bestuurbare bediening mogelijk zouden maken, dankzij het fotothermische conversievermogen van grafeen.

“Pure LCE-actuatoren vereisen over het algemeen een temperatuurverhoging, wat meestal een tijdrovend proces is zonder specifieke ruimtelijke bestuurbaarheid, om een ​​aandrijving te activeren die wordt aangedreven door de vloeibaar-kristal-uitgelijnde toestand naar de isotrope willekeurige opgerolde toestand van LCE-moleculen”, legt Kim uit.

De door de onderzoekers ontwikkelde actuatoren zijn gebaseerd op zachte vezels en bevatten grafeenvulstoffen die fijn worden geëxfolieerd in de matrix van het LCE-materiaal. Wanneer een laserlicht op de vezel wordt aangebracht, verhoogt het fotothermische conversie-effect geassocieerd met de grafeenvuller onmiddellijk de temperatuur van de omringende LCE-matrix. Dit heeft tot gevolg dat LCE-moleculen verschuiven van een op een vloeibaar kristal uitgelijnde toestand naar een zogenaamde isotrope willekeurig opgerolde toestand, waardoor de vezels uiteindelijk op macroscopische schaal in lengte krimpen.

“Zodra de laserverlichting is verwijderd, herstelt de vezel de oorspronkelijke lengte terwijl de LCE-matrix onmiddellijk wordt afgekoeld”, zei Kim. “De synergetische opname van een klein deel (~ 0,3 gew.%) Sterke grafeenvulstoffen versterkt het actuatormateriaal zelf, evenals de activeringsprestaties. Snelle fotothermische conversie mogelijk gemaakt door grafeenvulstoffen bereikt ook omkeerbare, snelle krachtige activering, wat kan zijn gemakkelijk op afstand bestuurbaar door externe lichtmanipulatie.”

Een van de meest waardevolle kenmerken van de actuator die door Kim en zijn collega’s is gemaakt, is de omkeerbare percolatie van het grafeenvulnetwerk erin. Door dit proces kunnen de vezels omkeerbaar worden gekrompen en ontspannen tot hun oorspronkelijke grootte, terwijl de hoge mechanische sterkte gedurende de gehele activeringscyclus wordt gegarandeerd.

“De grote reversibele krimp / ontspanning van longitudinale vezelactivering veroorzaakt reversibele montage en demontage van grafeenvullernetwerk binnen het samengestelde actuatorvolume, ” zei Kim.

“Dit ongekende gedrag versterkt de actuator aanzienlijk, vooral in de gekrompen geactiveerde toestand en veroorzaakt de intrigerende modulatie van elektrische geleidbaarheid afhankelijk van de activeringstoestand, die vergelijkbaar is met de EMG-signaalgeneratie van natuurlijke spieren. Merkbaar is de inherente mechanische zwakte van LCE-actuator vooral in de geactiveerde, gekrompen toestand is de langdurige kritieke uitdaging geweest voor het praktische gebruik van LCE-actuatoren.”

De onderzoekers evalueerden hun actuator in een reeks tests en ontdekten dat ze veelbelovende resultaten bereikten. In feite vertoonden ze zowel de gunstige vormveranderende eigenschappen van actuatoren op basis van LCE-materialen, terwijl ze ook een robuuste en omkeerbare bedieningsspanning mogelijk maakten.

“Onze actuator bereikt uiteindelijk een praktisch zinvolle activeringsprestatie, die die van natuurlijke dierenspieren op veel manieren overtreft, waaronder activeringsbelasting, stress, energiedichtheid en kracht, ” zei Kim. “Kunstmatige spieren die in eerdere werken werden gepresenteerd, bereikten soms superieure prestaties in een of enkele van die kenmerken, maar er is nog geen melding gemaakt van dit soort allround superieure prestaties in vergelijking met natuurlijke spieren.”

Kim en zijn collega’s hebben eindelijk het potentieel van hun actuatoren aangetoond door ze op zachte robots te implementeren en hun prestaties bij een reeks taken te beoordelen. Ze ontdekten dat de robots verschillende bewegingen van mens en dier konden nabootsen, bijvoorbeeld door een halter van 1 kg op te tillen, individuele vingers van een kunstmatige hand te buigen en de beweging van inchworms na te bootsen.

Interessant is dat het team een ​​robotachtige inchworm testte op basis van hun actuator door deze te laten “racen” met een levende inchworm. Hun systeem won de race en benadrukte nog meer het potentieel van hun op één vezel gebaseerde actuator voor het creëren van supersterke en goed presterende robots, bionische prothetische hulpmiddelen en misschien zelfs herconfigureerbare slimme kleding.

“De volgende grote uitdaging zal zijn om onze kunstmatige spier te integreren met neurale activiteit,” voegde Kim eraan toe. “Als individuele actuatorvezels specifiek bestuurbaar zijn en neutrale besturing nabootsen, zouden natuurlijke dierachtige geavanceerde bewegingen en voortbeweging mogelijk moeten zijn terwijl ze zijn gekoppeld aan het menselijk brein of AI. Momenteel vertrouwen de meeste actuatoren op harde mechanische systemen. Onze composiet zachte actuator zou een veelbelovende kandidaat zijn om het aanpakken van de inherente beperkingen van het traditionele mechanische aandrijfsysteem, zoals zwaar gewicht en mechanische stijfheid, en om echt natuurlijke dierachtige zachte robotica te bereiken.