Stuiteren op infrarood

Een zachte robot die zonder motor, batterij of software steeds opnieuw kan springen. Onderzoekers van North Carolina State University hebben een robot ontwikkeld die zijn energie rechtstreeks uit infraroodlicht haalt en de mechanische beweging grotendeels aan zijn materiaal en geometrie overlaat. Zodra de robot wordt beschenen, bouwt hij zelf de energie op voor een sprong en maakt hij zichzelf tijdens die sprong alweer klaar voor de volgende.

Het principe doet denken aan de Bean-Bot, de kleine robot zonder motor of software waarover Engineersonline eerder berichtte. Ook daar ontstaat de beweging uit een combinatie van materiaaleigenschappen, geometrie en warmte. De nieuwe lichtgestuurde robot gebruikt echter een ander materiaal en heeft een opvallend mechanisme om zichzelf tijdens de sprong te resetten.

Licht als aandrijving

De robot bestaat uit een zachte, ringvormige structuur van een vloeibaar-kristallijn elastomeer. Aan de constructie is een dunne V-vormige aluminium strip bevestigd. Het elastomeer reageert op infraroodlicht: wanneer het wordt verwarmd, trekt het samen.

Door de combinatie van het samentrekkende elastomeer en de stijve V-vorm kan de constructie niet zomaar vrij vervormen. In plaats daarvan gaat de ring draaien en wordt mechanische energie in de vervormde structuur opgeslagen. Wanneer een kritische vervorming wordt bereikt, schiet de constructie terug. De aluminium strip raakt daarbij de ondergrond en lanceert de robot omhoog.

Daarvoor is dus geen elektromotor nodig. Het infraroodlicht levert de energie, terwijl het materiaal en de geometrie bepalen hoe die energie in een beweging wordt omgezet.

De robot reset zichzelf tijdens de sprong

Het meest bijzondere aan het ontwerp is misschien niet de sprong zelf, maar wat er daarna gebeurt. Tijdens de vlucht ontspant het elastomeer en draait de ring terug richting zijn oorspronkelijke vorm. Daarmee wordt de mechanische toestand die nodig is voor de volgende sprong automatisch hersteld.

Bij de landing staat de robot daardoor opnieuw klaar om energie op te slaan. Zolang de infraroodbelichting blijft bestaan, kan de cyclus zich blijven herhalen.

Daarmee verschilt de robot van een conventionele springende robot. Die heeft normaal gesproken een actuator nodig om de beweging te maken en een besturing om de volgende beweging voor te bereiden. Hier zijn die functies grotendeels in de constructie zelf ondergebracht.

Vergelijking met de Bean-Bot

Het principe heeft duidelijke overeenkomsten met de Bean-Bot die eerder op Engineersonline werd beschreven. Die robot gebruikt geen conventionele motor of software, maar een vormgeheugenlegering die door verwarming van vorm verandert. De constructie slaat daarbij mechanische energie op en geeft die vervolgens vrij als een sprong of andere beweging.

Bij de Bean-Bot is een vormgeheugenlegering dus het actieve materiaal. Bij de nieuwe robot is dat een vloeibaar-kristallijn elastomeer. Ook de energievoorziening verschilt. De Bean-Bot maakt gebruik van een thermische cyclus, terwijl de nieuwe robot rechtstreeks door infraroodlicht wordt aangedreven.

Een belangrijk verschil zit bovendien in de manier waarop de beweging wordt herhaald. De Bean-Bot moet zijn thermische toestand weer veranderen voordat een nieuwe cyclus kan beginnen. Bij de lichtgestuurde robot vindt een belangrijk deel van de reset al tijdens de sprong plaats. De elastomeerstructuur ontspant terwijl de robot door de lucht beweegt.

Beide robots zijn daarmee voorbeelden van een vorm van fysieke intelligentie. Gedrag dat normaal gesproken door sensoren, elektronica, software en actuatoren wordt aangestuurd, ontstaat hier uit de combinatie van materiaal, vorm en omgeving.

Eén ontwerp, verschillende bewegingen

De onderzoekers kunnen het bewegingsgedrag aanpassen door de geometrie van de V-vorm te veranderen. Daarmee verandert ook de manier waarop de opgeslagen energie bij het loskomen wordt vrijgegeven.

Bij een V-hoek van ongeveer 50 graden kan de robot voornamelijk verticaal springen. Bij andere geometrieën ontstaat meer voorwaartse beweging of juist een kruipende beweging. De onderzoekers konden de beweging daarmee aanpassen zonder een ander besturingssysteem toe te voegen.

De robot is bovendien niet uitsluitend op een vlakke ondergrond getest. De onderzoekers bekeken het gedrag onder meer op gras, zand, stenen, mulch en hellingen en bij het nemen van obstakels. Daarmee onderzochten ze hoe de eenvoudige mechanische beweging zich gedraagt in minder gecontroleerde omgevingen.

Meer dan een robot die kan springen

De onderzoekers zien mogelijke toepassingen in robots die zich door natuurlijke of moeilijk bereikbare omgevingen moeten verplaatsen. Denk daarbij aan kleine autonome robots die over een ruwe ondergrond moeten navigeren of in groepen moeten kunnen samenwerken.

Voor praktische toepassingen is de technologie nog experimenteel. De waarde van het onderzoek zit vooral in het ontwerpprincipe: een robot hoeft niet altijd uit een verzameling elektronische componenten, motoren en software te bestaan. Door materiaaleigenschappen en geometrie zorgvuldig te combineren, kunnen energieopslag, aandrijving en een deel van de bewegingscyclus rechtstreeks in de constructie worden ingebouwd.

Dat maakt de lichtrobot een interessante opvolger van de Bean-Bot. Niet omdat hij hetzelfde doet, maar omdat beide laten zien hoe ver je kunt komen wanneer je een deel van de intelligentie van een robot uit de software haalt en in het materiaal en de mechanica stopt.

Dossiers

• 
  (Not) Safe for Designers?
• 
  PCB-ontwerp en productie
• 
  Wim van der Hoek Award