De zachte robothand van de Delfste promovendus Rob Scharff.

Robotica Zachte robots

Nieuwe robots die zacht en flexibel zijn kunnen meer dan hun stijve voorgangers

De zachte robothand van de Delfste promovendus Rob Scharff.

Hun voorgangers waren onbuigzaam. De robots die nu worden ontwikkeld zijn zacht en flexibel, zoals de grijpers die een pionier aan de TU Delft maakt. Die souplesse maakt allerlei nieuwe toepassingen mogelijk. 

Een streetdancer die ‘de robot’ doet, danst schokkerig en hoekig, alsof hij maar een handvol scharnieren in zijn lijf heeft. Nou, nog even en die dans is hopeloos ouderwets. Dan hoeven robots niet langer stijve harken te zijn, maar zijn ze flexibel als wormen, teder genoeg om een bloem te plukken, zelfs in staat de eigen huid te laten golven.

Zachte robotica, zo heet het vakgebied dat dit mogelijk moet maken. Een Nederlandse pionier is Rob Scharff, promovendus aan de Technische Universiteit Delft. ‘Toen ik vijf jaar geleden aan mijn afstudeeronderzoek begon, gebeurde op deze universiteit nog niets op gebied van zachte robotica’, zegt hij, staand in een Delfts laboratorium.

De ruimte ligt bezaaid met draadjes, gereedschappen en allerhande elektronica. In de hoek staat een verbouwde naaimachine, verderop ligt de helft van een mannequin. Een deur verder zoemt een rij 3D-printers.

In dit knutselparadijs voor techneuten stort Scharff zich op het vervolmaken van zachte grijpers. Ze liggen uitgestald op een werktafel, naast bakken vol buigzame ‘kunststofvingers’, die wat weg hebben van gebogen ruggegraten. Er valt geen stroomdraad, motortje of scharnier in te ontdekken. Wel steken er dunne, plastic buisjes uit de grijpers. Ze werken met luchtdruk: voer die op en de vingers knijpen samen.

Bevond hij zich tijdens zijn afstudeerproject nog op nauwelijks ontgonnen terrein toen hij een zachte robothand bouwde, inmiddels is het onderzoeksveld wereldwijd geëxplodeerd. Scharff: ‘Er waren toen nauwelijks publicaties over soft robotics. Nu is er een compleet congres over, er is zelfs een vakblad aan gewijd.’ 

Is er dan iets mis met de klassieke robots die nu de lopende banden in fabrieken bevolken en de vloeren van steeds meer huishoudens schoonzuigen? Op zich niet. Maar bouw je zachte, flexibele robots, dan komen er allerlei nieuwe toepassingen binnen handbereik, mailt Daniela Rus, hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen van het Amerikaanse onderzoeksinstituut MIT. ‘Zachte robots verbreden onze blik op wat een robot is. Er is veel meer diversiteit mogelijk. Qua vormen, maar ook qua materialen: van siliconen tot papier en zelfs voedsel.’

Jawel, voedsel. MIT maakte een primitieve ‘origamirobot’ van varkensvlees, van hetzelfde materiaal dat worsten omhult. Dit apparaatje van een paar centimeter groot kan zich, na inslikken, ontvouwen in het lichaam. Daar kan het eenvoudige operaties uitvoeren, zoals het afdekken van een wond, als een op afstand bestuurbare vleespleister. Dat besturen gebeurt nu nog met een magneet buiten het lichaam; er zit een stukje metaal op waarmee je het robotlapje kunt voorttrekken. Uiteindelijk wil het instituut dergelijke vleesrobotjes van sensoren en aandrijving voorzien, zodat ze zelfstandig kunnen rondzwerven.

Blauwe, zachte robotarm. ‘In plaats van de mogelijke schade te beheersen, is het makkelijker en goedkoper om iets te maken dat inherent onschadelijk is.’ Beeld MIT CSAIL

Uit de printer

De flexibele grijpers van de Technische Universiteit Delft komen rechtstreeks uit de 3D printer. Die technologie, die laagje voor laagje materialen als kunststof neerlegt en laat ze stollen tot een vast voorwerp, is essentieel voor de zachte robotica, volgens Zjenja Doubrovski. Hij verfijnt het 3D-printen van zachte robotonderdelen aan de TU Delft. Om zachte armen, vingers en pootjes precies aan te drijven met lucht, is een complex stelsel aan holtes nodig en dat lukt eigenlijk alleen met een printer, vertelt hij. Bovendien maakt die het mogelijk om eenvoudig een aangepaste grijper te maken voor elke gebruiker. Je voert het gewenste ontwerp in en afdrukken maar.

Een flexibele robot die buigt in plaats van barst is verder ideaal voor het zoeken naar overlevenden tussen puin in rampgebieden, of het verkennen van moeilijk begaanbare gebieden als nauwe grotten, vervolgt Rus. En mochten zorgrobots worden geïntroduceerd, die mensen bijvoorbeeld assisteren bij het douchen, dan is het prettig als ze niet vol harde en hoekige delen zitten.

Scharff ziet de flexibele grijpers die in Delft op tafel liggen in de fruit- en groententeelt belanden, waar nog veel met de hand wordt geplukt. Harde, stijve grijprobots veroorzaken al snel gaten of beurse plekken. Of je moet ze zo bomvol gevoelige sensoren proppen dat ze onbetaalbaar worden. ‘In plaats van de mogelijke schade te beheersen met een hoop sensoren en motortjes, is het makkelijker en goedkoper om iets te maken dat inherent onschadelijk is’, zegt hij.

Bij het ontwerpen van hun soepele creaties maken Scharff en zijn collega’s dankbaar gebruik van de vindingrijkheid van de natuur. Daar zijn immers genoeg bewegende delen te vinden waarin harde delen als botten, schilden of schelpen ontbreken. Biomimicry heet dit na-apen van de biologie. Deels levert dat nogal letterlijke interpretaties op: de eerste octobots en robotvissen zwemmen al rond.

Ook in Delft ligt zo’n robotvis. ‘Die is nog in ontwikkeling’, benadrukt de promovendus. Dat blijkt: de vis is omhuld met ducttape, het plaatje plexiglas dat de staart moet voorstellen ziet er niet bepaald hightech uit. Tot je het robotje ziet zwemmen, zwierig als een echte vis. ‘Een sportvisser kan zo’n vis gebruiken als lokaas voor roofvissen. En als je er meetapparatuur in verwerkt, kan hij voor marineschepen inzetbaar zijn voor kustverkenning, omdat zo’n natuurlijk zwemmend apparaat niet opvalt.’

De natuur inspireert ook op subtielere manieren. Zo wilde Scharff zijn robothand om zijn as laten draaien, zoals ook onze handen kunnen omkeren. ‘De oplossing vonden we in de slurf van een olifant. Daarin zitten twee helixvormige spieren om de luchtschacht gewikkeld, die ervoor zorgen dat de slurf kan draaien.’ Hoe hij hier achter kwam? Dankzij een oude biologiepublicatie uit 1985, gewijd aan de beschrijving van spieren die werken zonder steun van een skelet. 

Biomimicry, de natuur gebruiken als inspiratiebron voor technologie, levert soms nogal letterlijke interpretaties op. Zoals deze zachte robot-octopus. Beeld Harvard University

Onderzoekers van het Italiaanse Instituut voor Technologie laten zich zelfs inspireren door planten. Ze presenteerden vorig jaar een ‘plantoïde’, een zachte robot die doet denken aan een plantenwortel. Die bestaat uit een aangepaste kop van een 3D-printer die kunststof in een rekbare buis spuit, met een maximale snelheid van vier millimeter per minuut. Zo duwt hij zichzelf door lucht, maar net zo goed door aarde, als een echte plantenwortel. Bruikbaar om ooit bodemvervuiling mee op te sporen, misschien zelfs om door kwetsbare delen van het menselijk lichaam te manoeuvreren, verwachten de onderzoekers. 

Stel dat een robot zijn zachte huid kan laten rimpelen, om zo stof en zand van zich af te schudden. Of dat grijpvingers randjes vormen wanneer ze een gladde tomaat oppakken, die weer verdwijnen om het loslaten te vergemakkelijken. En wat dacht u van een spons die op commando vloeistoffen opzuigt of loslaat, zodat hij bijvoorbeeld medicijnen kan transporteren? Zulke ‘responsieve materialen’ zijn het onderzoeksdomein van Dick Broer, polymeerchemicus van de Technische Universiteit Eindhoven en betrokken bij het onderzoek naar zachte robotica daar.

Je krijgt zulke precieze controle niet voor elkaar met luchtdruk, legt hij uit. ‘We bouwen ledlampjes in bij materialen die een voorgeprogrammeerde vorm aannemen als er licht op schijnt. Of we laten materialen reageren op elektrische spanningen.’

Zachte grijper van MIT. Beeld MIT CSAIL

De samentrekkingen die hierdoor ontstaan, vormen uitstulpingen in het materiaal in elke gewenste vorm. Zulke trucs lukken nog alleen nog op stukjes materiaal van een paar vierkante centimeter, zegt Broer. ‘We gaan stap voor stap. Ik heb de Amerikaanse luchtvaartorganisatie Nasa al benaderd om te vragen of zij interesse hebben in vervolgonderzoek. Hun Marsrovers belanden in zandstormen. Je zou ze een laag kunnen geven waardoor ze het zand uit zichzelf van zich afschudden.’

Ook Rob Scharff is nog lang niet klaar met zijn grijpers, want zachte robots hebben één groot probleem: ze hebben geen flauw idee waar hun lichaamsonderdelen zich bevinden. ‘Bij stijve robots is dit eenvoudig’, zegt hij. ‘Als je weet welke hoek een scharnier maakt, kun je de positie van een vinger berekenen. Bij zachte robots kan dit niet, daar kan zo’n vinger alle kanten op buigen.’

In dit geval biedt de natuur geen soelaas. Zelf is hij in de weer met lampjes die op sensoren schijnen in het binnenste van zijn zachte robotvingers. Buig je de vinger, dan schijnen de lampjes anders op de sensoren. Een computermodel berekent welke stand van de vinger bij de veranderingen in lichtmetingen hoort. Dat werkt al aardig bij eenvoudige vervormingen, maar er is nog flink wat verfijning nodig om de techniek te laten werken als een vinger zich in complexere bochten wringt.

Zo storten ingenieurs in het hele veld zich op dit probleem. Afgelopen november presenteerden onderzoekers van de Cornell-universiteit in New York nog een ‘zelfbewuste spons’. Die weet precies hoezeer je hem kneedt of ombuigt dankzij een netwerk van lichtgevende glasvezels, wiens patroon meetbaar anders wordt als de spons van vorm verandert.

Zulke oplossingen zijn nodig, willen zachte robots zelfstandig kunnen functioneren, zegt Scharff. Zodat de plukmachine zelf weet dat een tomaat hem is ontglipt en hij het nogmaals kan proberen. Of zodat een robot die door het puin van een ingestort huis tijgert het doorheeft als hij in de kreukels ligt. Letterlijk.

Rietjesrobot

Een rietje, een ballonnetje en een elastiekje: een zachte robot kan doodeenvoudig in elkaar zitten. Knip een gat in het midden van het rietje en prop er op deze plek een kleine waterballon in, de opening onderin. Buig het rietje dubbel en verbind onder- en bovenkant met een elastiekje, zodat hij gebogen blijft staan. Blaas lucht in de ballon, bijvoorbeeld met een spuit, en het rietje strekt zich. En zie: een functioneel zacht robotpootje. Simpel zat, maar onderzoekers aan de Harvard-universiteit maakten zo veelpotige rietjesrobots die rondlopen als spinnen, aangedreven met een pompsysteem in plaats van een simpele spuit. Ze zijn te zien in het filmpje hieronder.

Meer lezen over robots

Ze heeft een paspoort en trad op bij Jimmy Fallon. Maar ondanks haar sterrenstatus is robot Sophia minder menselijk dan ze lijkt.

Wat nu als je robots laat ontwikkelen door een digitale variant van Moeder Natuur? Dan krijg je robots die onze wildste fantasieën te boven gaan, denkt Guszti Eiben.

Cyberhonden die de trap op lopen als echte honden, robotvogels die in de lucht amper van echte vogels te onderscheiden zijn. De realistische robotdieren zijn in opmars. 

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden