- Kleine metalen robots veranderen in vloeistof en ontsnappen uit kooi
- Op origami geïnspireerde robots nemen snel andere vorm aan
- Zelfconfigurerende robotkubussen kunnen structuren in de ruimte creëren
- Zwerm zelftransformeerbare ShapeBots visualiseert data in 3D
Experts voorspellen dat shape-shifting (of van vormveranderende) robots wel eens de toekomst van de robotica zouden kunnen zijn. Steeds meer onderzoekers zijn bezig met het ontwikkelen van robots die hun vorm en gedrag naar behoefte kunnen aanpassen, waardoor ze obstakels kunnen overwinnen en ondanks veranderende omstandigheden of omgevingen goed kunnen blijven presteren. Sommige vormveranderende robots zijn gemaakt met stugge componenten en actuatoren waarmee ze van de ene vorm in de andere kunnen veranderen. Weer andere zijn gemaakt van innovatieve materialen waardoor ze niet alleen van vorm kunnen veranderen, maar ook een andere consistentie kunnen aannemen. En net als bij veel andere technische ontwerpen, is biologie ook bij deze robots een inspiratiebron. Biologische organismen bestaan namelijk uit complexe anatomische structuren die zich aan veranderingen in de omgeving kunnen aanpassen. De auteurs van het report Shape Changing Robots: Bioinspiration, Simulation, and Physical Realisation schrijven: “Evolutie resulteerde niet in hard-gecodeerde blauwdrukken die alleen door genetische factoren bepaald werden, maar produceerde juist diverse voorbeelden van intelligente zelfmodificerende systemen die zich aan allerlei extragenomische invloeden aanpassen. Op deze manier dient de biologie als een belangrijke proof-of-principle — en een ontwerpuitdaging — voor kunstmatige intelligentie en vormveranderende robots”. In dit artikel introduceren we vier innovatieve vormveranderende robots die onlangs zijn ontwikkeld en de komende jaren een transformatie in de robotica teweeg gaan brengen.
Kleine metalen robots veranderen in vloeistof en ontsnappen uit kooi
Deze kleine shape-shifters, ontworpen door ingenieurs van de Chinese Universiteit van Hong Kong, waren de afgelopen weken volop in het nieuws. En dit is geen verrassing, aangezien deze bijzondere bots heel snel van vaste in vloeibare toestand kunnen veranderen en daardoor indrukwekkende prestaties kunnen leveren. De meest spraakmakende daarvan is dat de bot als het ware tussen de tralies van een kooi door kan smelten — wat doet denken aan de T-1000-robot uit de Terminator-franchise. Daarnaast kan de bot ook klimmen en springen. De T-1000 was overigens de inspiratie voor de robots. De kleine vormveranderende machines, die ook magnetisch zijn en elektriciteit kunnen geleiden, kunnen worden gebruikt om in diverse situaties uiteenlopende taken uit te voeren. Zo zouden ze in de toekomst kunnen worden gebruikt om elektronica te repareren door in gesmolten vorm circuits binnen te druppelen en zowel als geleiders als als soldeer te fungeren. In de biogeneeskunde kunnen ze aan het werk worden gezet om vreemde voorwerpen uit het lichaam te verwijderen of bepaalde organen gericht te behandelen.
Chengfeng Pan, een ingenieur aan de Chinese Universiteit van Hong Kong en leider van de studie, vertelt: “Door robots de mogelijkheid te geven om tussen vloeibare en vaste toestand te schakelen krijgen ze meer functionaliteit”. Pan vervolgt: “We ontwikkelen dit materiaalsysteem verder door naar meer praktische manieren om een aantal zeer specifieke medische en technische problemen op te kunnen lossen”. Het vormveranderende materiaal dat voor de robots wordt gebruikt wordt ‘magnetoactieve vaste-vloeibare fase-overgangsmaterie’ genoemd. Het is gemaakt van het metaal gallium, dat een smeltpunt heeft van slechts 29,8 °C, en waarin magnetische microdeeltjes zijn verwerkt. Werktuigbouwkundig ingenieur Carmel Majidi, hoofd van het Soft Machines Lab aan de Carnegie Mellon University en senior-auteur van de nieuwe studie, legt uit: “De deeltjes zorgen ervoor dat het materiaal op een wisselend magnetisch veld reageert, zodat je het materiaal door middel van inductie kunt opwarmen waardoor de faseverandering plaatsvindt. Maar de magnetische deeltjes geven de robots ook mobiliteit en het vermogen om als reactie op het magnetische veld te bewegen”. Het materiaal is onder verschillende omstandigheden getest waarbij magnetische velden werden gebruikt om de robots over obstakels te laten klimmen en zelfs in tweeën te splitsen om als ‘team’ objecten te verplaatsen.
Op origami geïnspireerde robots nemen snel andere vorm aan
Onderzoekers van Virginia Tech publiceerden onlangs het artikel Shape Morphing Mechanical Metamaterials Through Reversible Plasticity. Het werk is opgenomen in Science Robotics en beschrijft een vormveranderend composietmateriaal dat gebruikmaakt van een faseveranderend metalen skelet waarmee een platte plaat in complexe, dragende vormen getransformeerd kan worden. Het materiaal is gemaakt van een elastomeer met daarin een origami-achtig patroon van sneden, dat bepaalt welke vorm het elastomeer uiteindelijk aanneemt. Door opwarming wordt het metalen skelet vloeibaar, waardoor het materiaal van vorm kan veranderen. Deze faseverandering zorgt ervoor dat de vormverandering omkeerbaar is en leidt bovendien tot zelfherstellende mogelijkheden. In het materiaal zijn motoren, besturing en verwarming geïntegreerd. Hierdoor kan het onder andere worden gebruikt om shape-shifting drones te maken die autonoom van vorm kunnen veranderen; bijvoorbeeld van een grond- naar een luchtvoertuig. Hoewel dit proces even duurt, kan het ook tot een fractie van een seconde worden versneld door bijvoorbeeld de kracht van perslucht toe te passen. Dit zorgt ervoor dat het elastomeer en het metalen skelet uitrekken en een andere vorm aannemen, die behouden kan worden zonder dat daar stroom voor nodig is. Het materiaal kan meermaals in verschillende, dragende vormen veranderen, waardoor zeer mobiele en aanpasbare machines kunnen worden ontwikkeld.
Zelfconfigurerende robotkubussen kunnen structuren in de ruimte creëren
Een andere recente ontwikkeling in de vormveranderende robotica is afkomstig van de Universiteit van Calgary en MIT’s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), waar wetenschappers de ElectroVoxel hebben gecreëerd, een kubusvormig, vormveranderend robotsysteem. De zelfconfigurerende robotkubussen hebben geen motoren of bewegende delen en groeperen zich semi-autonoom waardoor ze grotere of andere ‘gedaanten’ kunnen aannemen. De randen van deze kubussen van 60 millimeter bestaan uit een elektromagnetische ferrietkern waar koperdraad omheen gewikkeld is. Door deze randen, die elkaar afstoten of aantrekken, afhankelijk van de polariteit van een magneet, kunnen de ElectroVoxels om elkaar heen en in verschillende richtingen bewegen. Je kunt de configuraties en bewegingen van maximaal 1.000 van deze kubussen tegelijk programmeren. Dit gebeurt door middel van software die via een draadloos communicatiesysteem verbinding maakt met de ElectroVoxels. Zo kun je bijvoorbeeld de snelheid regelen waarmee de kubussen bewegen, ervoor zorgen dat ze niet tegen elkaar botsen, en ze een bepaalde vorm laten aannemen.
In het NASA-vliegtuig met de bijnaam ‘vomit comet‘ — waarin een lage-zwaartekrachtomgeving gecreëerd is voor onderzoeks- en trainingsdoeleinden en voor filmopnamen — ontdekten de wetenschappers dat de ElectroVoxels ook onder deze omstandigheden hun werk kunnen doen. Dit maakt deze kleine robots zeer geschikt voor het (ver)bouwen en repareren van structuren in de ruimte. Ook betekent dit dat de kubusjes bijvoorbeeld kunnen assisteren bij ruimtevaartuig-inspecties. Andere use-cases die de wetenschappers voor ogen hebben zijn onder meer het ontwikkelen van zelfsorterende containers. Martin Nisser, een promovendus bij CSAIL en hoofdauteur van een artikel over ElectroVoxels, vertelt: “De potentiële voordelen bij gebruik in de ruimte zijn bijzonder groot. De paradox is bovendien dat de dynamiek die door microzwaartekracht wordt geboden betekent dat sommige problemen eigenlijk ook gemakkelijker te verhelpen zijn. In de ruimte kun je namelijk met beperkte kracht ook grote dingen laten bewegen. Door deze technologie toe te passen bij het oplossen van echte kortetermijnproblemen in de ruimte, kunnen we de technologie hopelijk ook incuberen voor toekomstig gebruik op aarde”.
Zwerm zelftransformeerbare ShapeBots visualiseert data in 3D
Een groep promovendi, in samenwerking met onderzoekers van de University of Colorado Boulder en de University of Tokyo, heeft onlangs een zwerm kleine, zelftransformeerbare robots ontwikkeld, ShapeBots genaamd. De bots zijn ontwikkeld om nieuwe “computermedia te creëren die de manier waarop mensen denken, ontwerpen, programmeren en met hun omgeving interacteren kunnen verbeteren en transformeren”. Elke bot is 3 x 3 cm en uitgerust met wielen, een motor en een batterij. Een individuele bot kan zowel horizontaal als verticaal tot 20 cm worden uitgerekt en volumetrisch buigen en van vorm veranderen. De ShapeBots kunnen zowel hun collectieve als individuele configuratie veranderen om informatie op verschillende manieren weer te kunnen geven, of zoals de studenten uitleggen: “gegevens in 3D-omgevingen fysiek maken” zodat je interactie kunt hebben met de informatie die je ziet. De studenten stellen zich een toekomst voor waarin we overal in onze omgeving kleine, vormveranderende robots tegenkomen die ons dagelijks leven gemakkelijker of interessanter maken. Zo kunnen de zwermbots informatie weergeven over geografische locaties, fungeren als interactieve afbeeldingen, een tastbare preview van een CAD-ontwerp weergeven, rommel van je bureau ‘vegen’, enzovoort.
Elke ShapeBot is gemaakt van gangbare materialen en eenvoudige elektronica. Een kleine motor stelt de bots in staat om zich voort te bewegen, en andere motortjes zorgen ervoor dat ze hun ‘armen’ in en uit kunnen schuiven. Een computer met cameravisie volgt en regelt de positie en bewegingen van de bots. De ShapeBots kunnen zowel individueel als in een team worden ‘gechoreografeerd’ en op allerlei manieren worden toegepast. Denk bijvoorbeeld aan het weergeven van fysieke media in musea, op scholen en in andere educatieve omgevingen. Ellen Do en Mark D. Gross, twee van de onderzoekers, vertellen: “Ons onderzoek toont aan dat we een zwerm kleine goedkope robots kunnen gebruiken om met informatie te interacteren en zo de kloof tussen de fysieke en digitale wereld kunnen overbruggen. De ShapeBots die we hebben ontwikkeld zijn echter nog steeds een prototype. In een laboratoriumomgeving zijn ze redelijk robuust, maar in een klaslokaal op de lagere school zouden ze niet lang heel blijven”. In de komende jaren willen de onderzoekers de robots verkleinen, waardoor visualisaties met veel hogere resolutie mogelijk worden, de betrouwbaarheid beter wordt, en de productiekosten omlaag kunnen.
Een laatste overweging
De afgelopen jaren zijn er enorme vorderingen gemaakt op het gebied van robotica. Robots worden steeds veelzijdiger, geavanceerder en aanpasbaarder, en het concept van shape-shifting bots is een van de meest recente ontwikkelingen in de robotica. De meeste robots die in dit artikel worden beschreven bevinden zich nog in hun prototypefase en zijn ontwikkeld om potentiële toekomstige toepassingen in een steeds grotere verscheidenheid aan omstandigheden te ontdekken. De verwachting is dat deze shape-shifters de komende jaren nog geavanceerder en capabeler zullen worden, wat ongetwijfeld zal leiden tot vele fascinerende nieuwe mogelijkheden in uiteenlopende sectoren.
