Achtergrond

Zelfhelende zachte robots verenigen materiaaldeskundigen


Met zachte hand

Marysa van den Berg | woensdag 11 maart 2020

Robots van zacht materiaal zijn veilig voor mens én voorwerp. Helaas lopen ze gauw schade op. In een Europees project komen materiaaldeskundigen samen om de zelfhelende eigenschappen van diverse polymeren te evalueren én in te zetten.

‘In de toekomst hebben we robots nodig die licht van gewicht zijn, zo min mogelijk stroom gebruiken, zichzelf kunnen repareren en een fijne interface hebben met mensen en kwetsbare objecten zoals voedsel’, vertelt Tonny Bosman, CEO van het polymeerbedrijf SupraPolix. ‘Dat kan niet met gewoon staal; voor deze robots zijn nieuwe innovatieve materialen nodig’.

Bosman heeft het over de nieuwste generatie robots: de zachte robots. Deze bestaan uit flexibele zelfhelende materialen. Afgelopen juni is een Europees samenwerkingsverband gestart tussen SupraPolix, de Vrije Universiteit Brussel (VUB), de University of Cambridge, de ESPCI in Parijs en de EMPA in Zwitserland om de eerste prototypes te ontwikkelen. De partners krijgen daarvoor gezamenlijk € 3 miljoen van de Europese commissie.

SupraB en Diels-Alder

Binnen het project SHERO (self-healing soft robotics) worden onder meer drie typen materialen onderzocht. Bij SupraPolix gaat het om supramoleculaire polymeren (kortweg SupraB genoemd). ‘Dit zijn polymeren die bijzonder sterke non-covalente interacties vertonen tussen de moleculen’, legt Bosman uit. ‘Het gaat om ureidopyrimidone-units die een viervoudige waterstofbrug met zichzelf kunnen vormen. Wanneer je een sneetje maakt in het materiaal, breken die verbindingen. Direct daarna start al het reparatieproces: de polymeren diffunderen binnen het materiaal en nieuwe reversibele crosslinks vormen zich.’

‘Diels-Alder-elasto­meren zijn sterker, maar SupraB herstellen sneller’

Het EU-project wordt geleid door de VUB. In het laboratorium voor physical chemistry and polymer science (FYSC) werkt onder meer chemisch ingenieur Joost Bran­cart aan Diels-Alder-elastomeren. Dit zijn elastomeren die reversibele covalente verbindingen vormen tussen de moleculen. ‘Wij zijn vooral geïnteresseerd in de Diels-Alder-reactie tussen furaanmoleculen en maleimidemoleculen’, zegt Brancart. ‘Het is een van de bekendste en meest gebruikte Diels-Alder-reacties binnen de chemie­wereld, omdat het proces ook op kamertemperatuur kan plaatsvinden.’

De verbindingen binnen die Diels-Alder-elastomeren worden verbroken wanneer je het opwarmt. Op dat moment kun je het in een nieuwe vorm gieten. Maar nog mooier is dat het materiaal ook mechanisch reversibel is. Het heelproces na bijvoorbeeld een sneetje kan volgens Brancart op twee manieren plaatsvinden. ‘Bij kamertemperatuur zullen de losgesneden furaan- en maleïmidemoleculen elkaar op het snijvlak opnieuw gaan opzoeken en nieuwe covalente verbindingen vormen.

Het duurt op deze manier tot zeven dagen totdat alle mechanische eigenschappen her-wonnen zijn. Een veel vlottere methode is het materiaal opwarmen tot circa 80 °C. Je verbreekt dan weliswaar extra verbindingen, maar de moleculen krijgen zo wel veel meer mobiliteit. Dat maakt dat de moleculen efficiënter en sneller met elkaar zullen reageren.’ Uit testen blijkt dat na ongeveer 40 minuten de kwetsuur is gedicht en na een nachtje is het materiaal zo goed als nieuw.

Grijpers

Er zitten grote verschillen tussen SupraB en Diels-Alder-elastomeren. ‘Bij die eerste is het voordeel dat het makkelijker te bereiden is; waterstofbruggen vormen zich makkelijker dan covalente ver-bindingen. Er zijn namelijk geen chemische reacties voor nodig’, vertelt Brancart. ‘Ook is het genezingsproces daardoor veel sneller. Daar staat wel tegenover dat Diels-Alder-elastomeren door de covalente aard van de verbinding tientallen malen sterker zijn dan het materiaal met waterstof-bruggen.’ Dit alles beaamt Bosman.

‘Het ideale materiaal verschilt per toepassing’

Een derde type materiaal binnen project SHERO wordt gemaakt door de ESPCI in Parijs. Het gaat om een soort variant tussen SupraB en Diels-Alder in. ‘Ze willen daar de snelheid van de vorming van waterstofbruggen gaan combineren met de sterkte van reversibele covalente verbindingen’, vertelt Brancart.

Welke van de drie typen materialen zal uiteindelijk aan het langste eind trekken en gebruikt worden voor de ontwikkeling van toekomstige zelfhelende zachte robots? ‘Waarschijnlijk verschilt dat per toepassing. Voor robots waarbij structurele capaciteit belangrijk is, denk ik aan Diels-Alder-chemie. Zijn er specifieke functies nodig waarbij snelheid van belang is, dan kun je wellicht supramoleculaire polymeren overwegen’, stelt Brancart. Bosman voegt daaraan toe: ‘Een van de doelen van het EU-project is het naast elkaar leggen van de verschillende soorten materialen om zo te zien voor welke specifieke toepassing het materiaal het meest geschikt is.’

Tuning

De eerste testen met de zachte zelfhelende materialen zijn al achter de rug. Zo zijn er op de Brubotics-groep van de VUB grijpers, robothanden en een kunstmatige spier gemaakt van de ma-terialen. In deze veerkrachtige, op luchtdruk werkende robotonderdelen werden gecontroleerd beschadigingen – lees: verschillende groottes aan snedes – aangebracht. De schade kon voor alle drie de materialen volledig worden hersteld, zonder zwakke plekken achter te laten. Vervolgens konden de robots hun taken weer volledig opnemen.

Natuurlijk zijn er altijd dingen die beter kunnen. ‘Waar SupraPolix hun polymeren structureel sterker willen maken, willen wij onze moleculen sneller maken in het herstelproces’, vertelt Brancart. Verder is SupraPolix bezig met het ‘tunen’ van hun SupraB-polymeren voor de andere EU-partners. ‘De tuning vindt plaats door de ureidopyrimidone-units aan verschillende polymeren te koppelen in verschillende hoeveelheden’, verklaart Bosman. ‘Het gaat dan om eigenschappen als de sterkte, elasticiteit, hardheid en zelfhelende eigenschappen van het polymeer. In dit project is het bijvoorbeeld belangrijk dat de materialen relatief zacht en flexibel zijn voor met name de robothand die zachte objecten moet kunnen oppakken.’

Geen vinger klem

Het mooiste aan het EU-project vindt Brancart de samenwerking. ‘Wij krijgen materiaal opgestuurd van zowel SupraPolix als Parijs, om te evalueren voor de robotica. Dit terwijl we zelf ook materiaal maken en rondsturen, bijvoorbeeld naar Zwitser­land en Cambridge. De onderzoekers aldaar bed-den in onze materialen flexibele sensoren en testen ze vervolgens in actuatoren. Deze sensoren zijn nodig om bijvoorbeeld de schade aan de robot te kunnen detecteren. Op basis waarvan artificiële intelligentie de ernst van de schade kan evalueren en beslissen om het herstelproces op te starten. Van alle partners krijgen we feedback en zo blijven we elkaar continue verbeteren.’

Het uiteindelijke doel van het EU-project is het maken van prototypes van zelfhelende zachte robots met specifieke functies. Maar daar stopt de ontwikkeling van de zachte robotica niet. ‘Die zachte robots zullen er zeker komen’, zegt Bosman. ‘Ze zullen heel belangrijk worden. Niet alleen voor bijvoorbeeld het plukken van fruit (heel kwetsbare objecten), maar ook in huis. Je moet er bijvoorbeeld niet aan denken met je vinger klem te zitten tussen de grijpers van een stalen robot! Bij robots gemaakt van zacht en flexibel materiaal is dat geen enkel probleem.’

Ook Brancart ziet de toekomst van de zachte robots zonnig in. ‘Er is ontzettend veel mogelijk met deze robots. Dit in tegenstelling tot traditionele harde robots, waarbij materialen maar weinig aan-gepast kunnen worden. Er zijn veel startups en projecten krijgen vaak funding. We staan nog maar in het beginstadium maar de zachte robotica zal in de toekomst ongetwijfeld van zich laten horen.’