Onderzoekers zijn altijd op zoek naar nieuwe manieren om de wendbaarheid, prestaties en efficiëntie van looprobots te verbeteren. Meestal ligt de nadruk hierbij op de motorische ontwikkeling. Maar een team van ETH Zürich en het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen (MPI-IS) richt zich op een alternatieve aanpak: kunstmatige, elektrostatisch aangedreven spieren, geïnspireerd door de dierlijke biologie en de menselijke anatomie.
Zowel tweevoetige als viervoetige robots zijn de afgelopen jaren behoorlijk wendbaar geworden dankzij de vooruitgang in het ontwerp van motortechnologieën en kunstmatige intelligentie. Voor velen van hen blijven de energiebehoeften en -kosten echter een groot obstakel, vooral als het gaat om de AI-systemen die nodig zijn om enorme hoeveelheden omgevingssensorgegevens te interpreteren.
Om deze problemen te omzeilen, proberen medewerkers van het nieuwe onderzoekspartnerschap Max Planck ETH Center for Learning Systems (CLS) de extensor- en flexorspieren van de ledematen na te bootsen zonder de noodzaak van gelijkstroommotoren of krachtige kunstmatige intelligentieprogramma’s. In plaats van gemotoriseerde componenten maakt het nieuwe ontwerp gebruik van met olie gevulde plastic zakken die doen denken aan alledaagse diepvriesverpakkingen. Zoals beschreven in het artikel gepubliceerd op 9 NatuurcommunicatieDankzij de nieuwe hydraulisch verbeterde, zelfherstellende, elektrostatische actuatoren (HASEL) van het team kunnen de ‘benen’ van het prototype gemakkelijk over oneffen terrein springen en zich snel aanpassen zonder bijna evenveel warmte te genereren als traditionele gemotoriseerde opties.
Om het te laten werken, zijn twee ‘spieren’, bestaande uit vier afzonderlijke, geleidende, met olie gevulde zakjes, aan elke kant gedeeltelijk bedekt met elektrodepleisters. De spieren worden vervolgens met kunstmatige pezen vastgemaakt aan een lichtgewicht koolstofvezelframe dat 3D-geprinte knie- en heupgewrichten bevat. Dan, als het tijd is om te springen, begint het team te shockeren.
“Zodra we spanning op de elektroden zetten, worden ze aangetrokken door statische elektriciteit”, zegt Thomas Buchner, promovendus en co-auteur van het onderzoek, in een begeleidend persbericht van ETH Zürich op 9 september.
Buchner vergeleek de beschuldigingen met wat er gebeurt als je een ballon tegen je hoofd wrijft, waardoor je haar eraan blijft plakken. Naarmate de spanning toeneemt, krimpen de elektroden dichter bij elkaar en duwen de oliezak naar één kant, waardoor de algehele vorm ervan korter wordt. Net als bij een dierlijk of menselijk been wordt één spier korter naarmate de partner langer wordt.
Deze precieze, snelle veranderingen in spieromvang en -vorm zijn van cruciaal belang voor succesvolle bewegingen door de omgeving. Om de juiste spanning te bepalen die nodig is om het terrein eronder te manipuleren, vertrouwt het robotbeen op speciaal ontworpen computercode om twee ingangssignalen te interpreteren: één om het gewricht uit te breiden en één om het te buigen. Na elke sprong wordt het beengewricht in een geschikte hoek aangepast, afhankelijk van de hardheid of plasticiteit van het oppervlak eronder.
“Aanpassing aan het terrein is een belangrijk aspect. “Als iemand landt nadat hij in de lucht is gesprongen, hoeft hij niet vooruit te denken of hij zijn knieën 90 of 70 graden moet buigen”, zei Toshihiko Fukushima, eveneens promovendus en co-auteur, maandag.
[Related: Watch Google’s ping-pong robot beat humans at their own game.]
De combinatie van relatief eenvoudige sensoren en computercodering betekent ook dat het robotbeen van het team veel energiezuiniger is dan bestaande gemotoriseerde systemen. Dit is vooral het geval als het gaat om onnodige warmteontwikkeling. Met behulp van thermische beeldvorming genereerde de bedrading van de poten naar de gelijkstroommotor temperaturen van bijna 100 graden Fahrenheit. Het HASEL-ontwerp genereerde intussen vrijwel geen overtollige warmte. Vergeleken met een controlebeen met een gelijkstroommotor had het HASEL-ledemaat ook slechts 1,2 procent van het vermogen nodig als een gemotoriseerd, elektromagnetisch ontwerp. Volgens Fukushima betekent dit dat hun systeem niet dezelfde thermische beheertools nodig heeft als motoraangedreven robots, zoals koellichamen of ventilatoren.
Maar voorlopig moet het ledemaat dat de spieren beweegt, verankerd blijven in zijn kleine, cirkelvormige pad. Hoewel er nog veel meer werk en verfijning nodig is voordat het team een ongebonden versie kan testen, denken de onderzoekers dat het energiezuinige en gestroomlijnde ontwerp op een dag zijn weg zou kunnen vinden naar viervoetige en tweevoetige bots die kunnen wedijveren met de huidige gemotoriseerde machines, zo niet overtreffen.