De meeste robots kunnen grijpen en voelen via gemotoriseerde middelen, die extreem omvangrijk en stijf kunnen zijn. Een groep van Cornell University heeft een manier bedacht waarop een zachte robot zijn omgeving intern kan voelen, op vrijwel dezelfde manier als mensen.
Een groep onder leiding van Robert Shepherd, assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek en hoofdonderzoeker van Organisch Robotica Lab, heeft een paper gepubliceerd waarin wordt beschreven hoe rekbare optische golfgeleiders fungeren als krommings-, rek- en krachtsensoren in een zachte robothand.
Promovendus Huichan Zhao is hoofdauteur van “Opto-elektronisch geïnnerveerde zachte prothetische hand via rekbare optische golfgeleiders”, die te zien is in de debuuteditie van Science Robotics. De krant publiceerde 6 december; ook bijdragen waren doctoraatsstudenten Kevin O'Brien en Shuo Li, beide van Shepherd's lab.
"De meeste robots hebben tegenwoordig sensoren aan de buitenkant van het lichaam die dingen vanaf het oppervlak detecteren", zei Zhao. "Onze sensoren zijn geïntegreerd in het lichaam, zodat ze de krachten kunnen detecteren die door de dikte van de robot worden overgebracht, net zoals wij en alle organismen doen als we bijvoorbeeld pijn voelen."
Optische golfgeleiders zijn sinds het begin van de jaren 1970 in gebruik voor tal van detectiefuncties, waaronder tactiele, positie- en akoestische functies. Fabricage was oorspronkelijk een gecompliceerd proces, maar de komst van zachte lithografie en 20D-printen in de afgelopen 3 jaar heeft geleid tot de ontwikkeling van elastomere sensoren die gemakkelijk kunnen worden geproduceerd en geïntegreerd in een zachte robottoepassing.
De groep van Shepherd gebruikte een vierstaps zacht lithografieproces om de kern (waardoor licht zich voortplant) en de bekleding (buitenoppervlak van de golfgeleider) te produceren, die ook de LED (lichtgevende diode) en de fotodiode huisvest.
Hoe meer de prothesehand vervormt, hoe meer licht er door de kern verloren gaat. Dat variabele lichtverlies, zoals gedetecteerd door de fotodiode, zorgt ervoor dat de prothese zijn omgeving kan 'voelen'.
"Als er geen licht verloren zou gaan wanneer we de prothese buigen, zouden we geen informatie krijgen over de toestand van de sensor," zei Shepherd. "De hoeveelheid verlies is afhankelijk van hoe het is gebogen."
De groep gebruikte zijn opto-elektronische prothese om verschillende taken uit te voeren, waaronder grijpen en tasten naar zowel vorm als textuur. Het meest opvallende was dat de hand drie tomaten kon scannen en op basis van zachtheid kon bepalen welke de rijpste was.
Zhao zei dat deze technologie veel potentiële toepassingen heeft die verder gaan dan prothesen, inclusief bio-geïnspireerde robots, die Shepherd samen met Metselaar Peck, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek, voor gebruik bij verkenning van de ruimte.
"Dat project heeft geen sensorische feedback," zei Shepherd, verwijzend naar de samenwerking met Peck, "maar als we sensoren hadden, zouden we in realtime de vormverandering tijdens verbranding kunnen volgen [door middel van waterelektrolyse] en betere activeringssequenties ontwikkelen om het gaat sneller.”
Toekomstig werk aan optische golfgeleiders in zachte robotica zal zich richten op verhoogde sensorische mogelijkheden, deels door 3D-printen van complexere sensorvormen en door machine learning op te nemen als een manier om signalen van een groter aantal sensoren te ontkoppelen. 'Op dit moment,' zei Shepherd, 'is het moeilijk te lokaliseren waar een aanraking vandaan komt.'
Dit werk werd ondersteund door een subsidie van het Air Force Office of Scientific Research en maakte gebruik van de Cornell NanoScale wetenschaps- en technologiefaciliteit en Cornell Centrum voor Materiaalonderzoek, die beide worden ondersteund door de National Science Foundation.
- Tom Fleischman, Cornell universiteit