Zachte robot springt keer op keer door dankzij infrarood licht

De robot is ontwikkeld door een team van North Carolina State University in de Verenigde Staten. Het gaat om een compact, druppelvormig apparaat dat vooral opvalt door wat het niet heeft: geen motor, geen batterij en geen elektronica. Toch kan het blijven springen, kruipen of over hindernissen bewegen zolang er infrarood licht op valt. Daarmee is het een goed voorbeeld van soft robotics, een vakgebied waarin machines worden gebouwd van flexibele materialen in plaats van starre onderdelen.

Een ring die zichzelf opwindt

De kern van het ontwerp is een ring van een zogeheten vloeibaar-kristal-elastomeer, een rekbaar materiaal dat samentrekt zodra het wordt verwarmd door licht. Aan die ring is een stijve V-vormige staart bevestigd. Wanneer infrarood licht op de ring schijnt, trekt het materiaal samen en begint de ring te draaien. Omdat de V-vormige staart die beweging tegenhoudt, wordt de ring gedwongen te buigen: er bouwt zich mechanische spanning op, vergelijkbaar met het opwinden van een veer. Zodra die spanning een kritiek punt bereikt, klapt de staart met een felle beweging tegen de ondergrond. Die klap ontlaadt de opgeslagen energie in een fractie van een seconde en katapulteert de robot de lucht in.

Het bijzondere zit in wat er daarna gebeurt. Terwijl de robot door de lucht vliegt, ontspant de ring vanzelf weer terug naar zijn oorspronkelijke stand. Zodra het apparaat landt, begint het lichtgedreven proces meteen opnieuw. Zolang er voldoende infrarood licht is, blijft de robot dus doorgaan met springen, zonder dat er iets hoeft te worden gereset of bijgestuurd. De actuator die normaal gesproken beweging aanstuurt, wordt hier dus volledig vervangen door de combinatie van licht, materiaaleigenschappen en vorm.

Van kruipen tot een sprong van tachtig keer de eigen lichaamslengte

Door simpelweg de hoek van de V-vormige staart te veranderen, verandert ook de manier waarop de robot zich voortbeweegt. Bij een hoek van 120 graden kruipt het apparaat voort, bij 90 graden springt het naar voren en bij ongeveer 50 graden maakt het vooral verticale sprongen. Ook de intensiteit van het infrarode licht speelt een rol: te weinig licht en er gebeurt niets, te veel licht en de sprongen worden onvoorspelbaar en chaotisch. Door daarnaast het zwaartepunt van de robot te verschuiven, bijvoorbeeld door een klein gewichtje toe te voegen, wordt de voorwaartse sprong krachtiger en stabieler.

In tests op hellingen, gras, zand, grind en zelfs op het grensvlak tussen water en land bleek de robot goed overeind te blijven. De best presterende versies maakten verticale sprongen van meer dan tachtig keer hun eigen lichaamshoogte en voorwaartse sprongen van meer dan drie keer hun lichaamslengte. Voor een robot zonder enige aandrijftechniek zijn dat opvallende prestaties.

Toepassingen zonder motor of chip

Volgens de onderzoekers laat de combinatie van lichtaandrijving en een zelfresettend mechanisch ontwerp zien dat herhaalde robotbeweging ook kan zonder motoren of ingewikkelde besturingssystemen. Dat maakt het concept interessant voor toepassingen waar gewicht, energieverbruik of complexiteit een probleem zijn, zoals verkenning van moeilijk begaanbaar terrein of zwermrobotica, waarbij grote aantallen kleine, simpele robots samen een gebied doorzoeken. De onderzoekers bouwden ook mechanische modellen om het draaien, klappen en springen van het systeem nauwkeurig te beschrijven, wat helpt om het ontwerp verder te verfijnen.