Soft robotics: wat zijn zachte robots en wat kunnen ze?
Denk aan een octopus die zich door een spleet perst die nauwelijks groter is dan zijn oog, of aan een olifantenslurf die zowel een boomstam kan optillen als een pinda voorzichtig kan oppakken. Dat vermogen om te vervormen, te buigen en zich aan te passen aan de omgeving, is precies waar soft robotics om draait. In plaats van de harde, metalen armen die we kennen van fabrieksrobots, bouwen onderzoekers robots van rubberachtige, buigzame materialen die bewegen zoals spieren en tentakels in de natuur.
Stel je een klassieke industriële robotarm voor: stijve stalen segmenten, verbonden door scharnieren, aangestuurd door elektromotoren. Sterk en precies, maar bot en onbuigzaam. Een zachte robot lijkt daarentegen meer op een opblaasbaar speelgoedbeest dat van vorm verandert wanneer je er lucht in pompt of uit laat. Die zachtheid is geen zwakte maar een ontwerpkeuze: hij maakt de robot veiliger in de omgang met mensen, geschikter voor het hanteren van kwetsbare voorwerpen, en beter in staat om zich aan te passen aan onvoorspelbare omgevingen.
Wat is het precies?
Soft robotics is een tak van de robotica waarbij robots geheel of grotendeels zijn opgebouwd uit zachte, vervormbare materialen, zoals siliconenrubber, elastische polymeren of zelfs textiel, in plaats van metaal en hard kunststof. Het doel is beweging te creëren via vervorming van het materiaal zelf, in plaats van via starre schakels die om vaste scharnierpunten draaien.
De meest gebruikte aandrijftechniek is pneumatiek: kleine kanaaltjes in het rubber, vaak 'pneu-nets' genoemd (netwerken van luchtkamers), worden onder druk gezet met lucht. Doordat de ene kant van het materiaal minder rekbaar is gemaakt dan de andere, buigt de structuur bij het opblazen in een voorspelbare richting, ongeveer zoals een broodje dat aan één kant met plakband is versterkt: het kromt zich naar de niet-versterkte kant toe. Zo ontstaan grijpvingers die zich om een object heen vouwen zonder dat er motoren of tandwielen in zitten.
Naast pneumatiek bestaan er andere aandrijfmethoden. Sommige robots gebruiken kabels die door het zachte materiaal lopen en die, wanneer ze worden aangetrokken, de structuur laten buigen, vergelijkbaar met de pezen in een vinger. Anderen gebruiken zogeheten elektroactieve polymeren, materialen die van vorm veranderen zodra er een elektrische spanning op wordt gezet, of vormgeheugenlegeringen die krimpen bij verhitting. Weer andere ontwerpen maken gebruik van vloeistoffen of granulaten die vloeibaar zijn totdat de lucht eruit wordt gezogen, waarna ze star worden, een truc die bijvoorbeeld wordt gebruikt om een zachte grijper om een onregelmatig voorwerp te laten 'verstijven'.
Het besturen van zo'n robot is fundamenteel anders dan bij een stijve robotarm. Een harde robot heeft een beperkt, precies te berekenen aantal bewegingsmogelijkheden per gewricht. Een zacht materiaal kan in theorie op oneindig veel plekken tegelijk vervormen, wat het wiskundig lastiger maakt om te voorspellen en aan te sturen. Onderzoekers gebruiken daarom vaak vereenvoudigde modellen, sensoren die in het rubber zelf zijn ingebed, en steeds vaker machine learning om deze complexe, 'zachte' bewegingen te leren beheersen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van soft robotics is veiligheid in de nabijheid van mensen. Een stalen robotarm die tegen een mens aanbotst kan letsel veroorzaken; een zachte robot geeft mee bij contact, wat hem geschikter maakt voor toepassingen zoals revalidatie, ouderenzorg of samenwerking naast mensen op de werkvloer.
Een tweede drijfveer is het hanteren van kwetsbare of onregelmatig gevormde objecten. Harde grijpers hebben vaak precieze, van tevoren geprogrammeerde bewegingen nodig om iets vast te pakken zonder het te beschadigen. Een zachte grijper vouwt zich vanzelf om de vorm van een object heen, met een gelijkmatig verdeelde druk, wat hem geschikt maakt voor bijvoorbeeld fruit, eieren of ander breekbaar voedsel.
Ten derde speelt toegankelijkheid van moeilijke omgevingen een grote rol. Doordat zachte robots kunnen samendrukken en van vorm veranderen, kunnen ze zich potentieel door nauwe spleten wringen, wat interessant is voor zoek- en reddingsoperaties in ingestorte gebouwen, of voor inspecties in nauwe leidingen en machines.
Tot slot hopen onderzoekers dat zachte robots duurzamer en robuuster zijn in ruwe omstandigheden: een rubberen structuur kan een klap of val soms beter opvangen dan een stijf frame met precisieonderdelen, al is dit sterk afhankelijk van het specifieke ontwerp en nog geen algemene garantie.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de meest aangehaalde mijlpalen is de Octobot, gepresenteerd door onderzoekers van Harvard University in 2016 in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Dit was de eerste volledig zachte, autonome robot: hij bevatte geen enkel hard onderdeel, geen elektronica op basis van metalen bedrading, en werd aangedreven door een chemische reactie die gas produceerde om zijn armen op te blazen, in plaats van een batterij en motor.
Het onderzoeksteam van hoogleraar Cecilia Laschi, destijds verbonden aan de Scuola Superiore Sant'Anna in Italië, bouwde al vanaf ongeveer 2009 in het EU-gefinancierde OCTOPUS-project een robotarm geïnspireerd op de tentakel van een octopus, met spierachtige structuren die zonder star skelet toch kracht kunnen uitoefenen en zich om objecten kunnen wikkelen.
Aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontwikkelde een team onder leiding van Robert Katzschmann in 2018 SoFi, een zachte robotvis die zelfstandig tussen echte vissen in de oceaan kon zwemmen, aangedreven door een pompje dat water tussen twee kamers verplaatst om de staart heen en weer te laten bewegen.
Het Duitse technologiebedrijf Festo bouwt binnen zijn 'Bionic Learning Network' al sinds de jaren 2010 een reeks aan de natuur ontleende demonstratiemodellen, waaronder de BionicSoftHand, een pneumatisch aangedreven robothand die met een zachte grijp voorwerpen kan vastpakken, en eerdere concepten zoals een octopusarm-achtige tentakelgrijper.
Op commercieel vlak is het Amerikaanse bedrijf Soft Robotics Inc. een van de weinige spelers die zachte grijptechnologie daadwerkelijk in fabrieken heeft uitgerold, met name in de voedingsmiddelenindustrie, waar hun rubberen grijpvingers kwetsbare producten zoals kip, groenten of gebak oppakken zonder ze te beschadigen.
Hoe ver is de techniek?
Soft robotics is grotendeels nog een jong onderzoeksveld dat vanaf ongeveer 2010 grote wetenschappelijke aandacht kreeg, met de oprichting van het gespecialiseerde tijdschrift Soft Robotics in 2013 en de jaarlijkse RoboSoft-conferentie als tekenen van een groeiende, zelfstandige discipline.
Commercieel is de techniek nog beperkt: de meest succesvolle toepassing tot nu toe zijn eenvoudige pneumatische grijpers voor industrieel gebruik, vooral in de voedingsindustrie en logistiek. Complexere autonome zachte robots, zoals volledig zachte lopende of zwemmende machines, blijven vooralsnog vrijwel uitsluitend labdemonstraties.
Een aantal fundamentele obstakels remt bredere toepassing af. Ten eerste is er het energievraagstuk: pneumatische systemen hebben doorgaans een compressor of gastank nodig, wat ze log en aan een kabel of tank gebonden maakt; volledig draadloze, energiezuinige actuatoren zijn nog volop in ontwikkeling. Ten tweede is precieze besturing lastig, omdat zacht materiaal zich anders gedraagt naarmate het slijt, verhit of vervormt, waardoor voorspelbare, herhaalbare bewegingen moeilijker te garanderen zijn dan bij starre robots. Ten derde is duurzaamheid een aandachtspunt: rubberachtige materialen kunnen scheuren, verouderen of hun elasticiteit verliezen, wat de levensduur in industriële omgevingen beperkt.
Toch gaat de ontwikkeling gestaag door, met name in combinatie met nieuwe sensortechnologie die rek en druk in het materiaal zelf kan meten, en met kunstmatige intelligentie die helpt de complexe bewegingen te leren aansturen zonder dat elke vervorming vooraf hoeft te worden berekend.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten lopen Harvard University, met name het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en de onderzoeksgroepen van George Whitesides en Robert Wood, en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) voorop in fundamenteel onderzoek naar zachte actuatoren en materialen. Tufts University, met bioloog en robotwetenschapper Barry Trimmer, was een van de vroege pioniers die robotica direct koppelde aan de studie van zachtlichamige dieren zoals rupsen.
In Europa is Italië een zwaartepunt, met de Scuola Superiore Sant'Anna in Pisa als bakermat van het octopus-geïnspireerde onderzoek, en het Italian Institute of Technology (IIT) dat eveneens actief is op dit terrein. In Zwitserland werkt de EPFL, onder meer via het Reconfigurable Robotics Lab van Jamie Paik, aan zacht vervormbare robotstructuren en origami-achtige robots.
Op bedrijfsvlak is het Duitse Festo bekend om zijn bio-geïnspireerde conceptrobots die worden ingezet als technologievitrine, terwijl het Amerikaanse Soft Robotics Inc. een van de weinige bedrijven is die zachte grijptechnologie daadwerkelijk commercieel op de markt heeft gebracht. Ook defensie- en ruimtevaartorganisaties zoals het Amerikaanse DARPA hebben in het verleden onderzoeksgeld gestoken in zachte, vervormbare robotica voor verkenning en reddingsoperaties.