Development of a self-healing compliant actuator

Zelfherstellende robots, geen sciencefiction meer!

 “The Terminator 2” lokte in 1991, miljoenen sciencefiction liefhebbers naar de bioscoopzalen. In deze film neemt de laconieke cyborg, vertolkt door Arnold Schwarzenegger, het op tegen “T-100”’, een kwaadwillige robot, bestaande uit vloeibaar metaal, die zichzelf kan herstellen. Ondertussen is de film een echte klassieker geworden: haast iedereen heeft wel eens één van Arnold’s oneliners geïmiteerd. Nu, 20 jaar na de release, laten nieuwe ontwikkelingen in de “self-healing material technology” toe om zelfhelende materialen te introduceren in robotica.

Vandaag de dag worden robots vooral gebruikt in industriële productielijnen waarin repetitieve taken met hoge precisie uitgevoerd moeten worden. Deze typische robotarmen, die we allemaal kennen vanuit de auto-industrie, worden stijve manipulatoren genoemd. Ze bezitten, in tegenstelling tot onze menselijke ledematen, geen soepelheid. Contact tussen bewegende robotsystemen en arbeiders is hierdoor uiterst gevaarlijk. Daarom moeten de manipulatoren volledig afgeschermd worden wanneer de productielijn operationeel is. De manipulatoren bevinden zich als het ware in een kooi, waarin een veilige, gecontroleerde omgeving gecreëerd wordt.

Zoals in een recentere film, “I,Robot” geschetst werd, zullen volgende generaties robots meer en meer in een menselijke omgeving terecht komen. Zo zullen bijvoorbeeld sommige toekomstige huishoudrobots intensief lichamelijk contact hebben met hun gebruikers. Deze robots worden vanuit hun veilige, gecontroleerde “kooi”, in de voor hen ongestructureerde, onbekende wereld gebracht waarin wij leven. Om dit op een veilige manier te doen, werden robots ontwikkeld waarin een soepel mechanisme werd geïntegreerd dat ervoor zorgt dat zowel de omgeving als de hardware van de robot beschermd zijn. Het ontwikkelen van zulke concepten, valt onder de noemer “soft-robotics”.

Hierin worden allerhande mechanismen ontworpen, waarin de soepelheid van organische spieren wordt nagebootst. In de meest eenvoudige gevallen wordt dit gedaan door een veer toe te voegen aan het stijve aandrijvingsmechanisme van de manipulator, maar er bestaan ook complexere ontwerpen zoals pneumatische artificiële spieren. In soft-robotics spelen elastische polymeren een grote rol. Ze worden niet alleen meer en meer gebruikt als soepel element, maar ook om het volledige robot systeem intrinsiek soepel te maken: het starre, stijve robotskelet, wordt ingeruild voor een volledig flexibel lichaam. Deze robots, die volledig bestaan uit soepel materiaal, worden ‘’soft-bodied robots’’ genoemd.

Aangezien de nieuwe generatie soft-robots in onze omgeving terechtkomt, kunnen ze, net zoals wij, in gevaarlijke situaties gekwetst raken. Onderdelen kunnen barsten of breken bij een botsing en, zoals wij een spierscheur of breuk kunnen oplopen, zullen ook robots falen wanneer ze onverwacht overbelast worden. Bovendien introduceert het gebruik van soepele materialen een nieuw probleem: soepele onderdelen zijn meestal gevoelig voor beschadiging door scherpe voorwerpen die men vindt in ongestructureerde omgevingen.

In tegenstellig tot organismen, kunnen robots zichzelf niet genezen. Om te weerstaan aan onverwachte overbelastingen en stoten worden ze over-gedimensioneerd. De verschillende robotonderdelen zijn ontworpen om te weerstaan aan extreme situaties, rekening houdend met een hoge veiligheidsfactor. Dit resulteert in te zware en te grote systemen in verhouding tot de uit te voeren taken.

De integratie van een zelfhelende eigenschap, geïnspireerd op de natuurlijke genezing van organismen, kan deze problemen oplossen. ‘’Zelfherstellende robots’’ kunnen gedimensioneerd worden, uitsluitend op basis van de gewenste functies. Ze zullen beschadigd worden door extreme condities maar in staat zijn zichzelf te herstellen dankzij het geïntegreerde zelfhelende mechanisme. Dit leidt tot een vermindering van overdreven dimensionering en uiteindelijk tot lichtere, efficiëntere ontwerpen.

Sinds 2001 wordt er intensief onderzoek gedaan naar zelfhelende materialen. Deze materialen zijn in staat om mechanische schade spontaan of met milde stimulus van buitenaf (bv. warmte of licht) te herstellen. Recente ontwikkelingen hebben ervoor gezorgd dat zelfhelende polymeren gebruikt kunnen worden in commerciële applicaties en dit vooral onder de vorm van zelfhelende coatings en verven. Zo commercialiseerde Nissan in 2009 de “scratch shield paint”, een autolak die door middel van zonlicht krassen kan herstellen. Deze wordt ondertussen ook gebruikt op een zelfherstellende iphone hoes. Zelfhelende technologie is echter nog niet benut in robotica.

In dit eindwerk werd voor de eerste maal een zelfhelend materiaal gebruikt in de soft-robotics, in twee verschillende robot aandrijvingsmechanismen. Het eerste biedt een oplossing voor de over-dimensionering, terwijl het tweede zich richt op de bescherming tegen scherpe voorwerpen.

Ik startte met een analyse van de brede waaier zelfhelende polymeren, die besproken worden in de literatuur. Hoewel er tal van verschillende polymeren bestaan, zijn er weinige waarvan de mechanische eigenschappen voldoen aan de specifieke voorwaarden voor robotapplicaties. De zelfhelende polymeren die in de twee aandrijvingsmechanismen zijn gebruikt, worden Diels-Alder (DA) polymeren genoemd en hun zelfhelend proces is warmte gestimuleerd. DA-polymeren moeten dus opgewarmd worden om een macroscopische beschadiging, zoals een snede of een scheur, volledig te laten helen.

Het eerste concept dat ontwikkeld werd is de ‘’self-healing mechanical fuse’’ (SH-MF) en biedt een oplossing voor het over-dimensioneringsprobleem. Dit is een mechanische zekering die in het aandrijvingsmechanische van een robot geplaatst wordt. De zekering is ontworpen als het zwakste mechanische element in het systeem. Wanneer het mechanisme onderworpen wordt aan potentieel schadelijke overbelastingen, zal de zekering als eerste breken. De SH-MF offert zichzelf op om de duurdere onderdelen van het systeem, zoals de motor, te beschermen maar kan nadien herstellen door middel van een zelfhelend proces. Hierdoor zijn alle componenten beschermd en is er geen behoefte aan grote over-dimensioning.

Als tweede concept werd er nagegaan of het mogelijk is om pneumatische soft-bodied robots te ontwikkelen, die volledig zijn opgebouwd uit zelfhelende polymeren. Deze zullen in staat zijn om scheuren en sneden te genezen door middel van een zelfhelend proces. Pneumatische robots bestaan uit verschillende cellen die vervaardigd zijn uit hyper elastisch materiaal. Zoals een ballon, blazen deze cellen op wanneer ze onder een overdruk geplaatst worden, en doen ze de robot bewegen. Een kubische cel werd ontwikkeld, volledig opgebouwd uit elastisch DA-zelfhelend polymeer. Dit eerste prototype illustreert dat het mogelijk is om zelfherstellende pneumatische soft-bodied robots te maken.

Beide functionerende prototypes bezitten uitstekende mechanische en zelfhelende eigenschappen, wat aantoont dat zelfherstellende robots binnenkort geen sciencefiction meer zullen zijn. Het is daarom meer dan de moeite waard om verder onderzoek te doen naar de integratie van Diels-Alder en andere zelfhelende polymeren in robottoepassingen.