Zachte robothand van vloeibare kristallen en grafeen kan operaties ondersteunen

Een nieuwe zachte robothand van vloeibare kristallen en grafeen kan mogelijk in de toekomst operaties ondersteunen. Doordat de robothand uit organische materialen is vervaardigd kan deze veilig worden gebruikt bij operaties.

De robothand is ontwikkeld door onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) onder leiding van promovendus Laura van Hazendonk, Zafeiris Khalil (als onderdeel van zijn masteronderzoek), Michael Debije en Heiner Friedrich. Zachte robots zijn niet nieuw. Veel huidige zachte robots bevatten echter metalen. Dit maakt toepassingen in waterrijke omgevingen – zoals het menselijk lichaam – beperkt.

De onderzoekers zijn erin geslaagd een zachte robot te ontwikkelen van grafeen en vloeibare kristallen, wat beide organische materialen zijn. Dit biedt volgens TU/e mogelijkheden voor het veilig gebruik van de robothand tijdens operaties.

Robots steeds breder ingezet

Nieuw is de inzet van robots bij operaties niet. Zo assisteren operatierobots in ziekenhuizen gedurende operaties, en maken onder meer minimaal invasieve chirurgie mogelijk. De onderzoekers wijzen ook op de brede inzet van robots voor andere toepassingen, variërend van fabrieken tot huiselijke omgevingen.

“De maatschappij is afhankelijk geworden van robots en we bedenken nieuwe manieren om ze te gebruiken”, zegt Laura van Hazendonk, PhD-onderzoeker bij de faculteit Chemical Engineering and Chemistry. “Maar voor nieuwe manieren om ze te gebruiken, moeten we nadenken over verschillende soorten materialen waarmee ze gemaakt kunnen worden.”

Het gaat daarbij specifiek om vloeistoffen, gels en elastische materialen. In alle gevallen zijn deze materialen gemakkelijk vervormbaar. “Gewoonlijk worden robots gemaakt van metalen, die stijf en hard zijn. Maar in bepaalde toepassingen beperken harde robots de prestaties”, zegt Van Hazendonk. “De oplossing is om zacht te denken.”

Zachte robotica

Zachte robotica – ook bekend als soft robotics – zijn robots die zijn vervaardigd van materialen die in bepaalde situaties kunnen vervormen, terwijl hun gedrag lijkt op dit van traditionele ‘harde’ robots.

Van Hazeldonk wijst op de mogelijkheden binnen chirurgie, waar de impact van zachte robots volgens haar groot kunnen zijn. “Voor een chirurg kunnen veel operaties complex en delicaat zijn en dus specifieke handigheid vereisen. Soms is dat gewoon niet mogelijk en dan nemen ze hun toevlucht tot robots. Maar stijve robots kunnen sommige gebieden ook niet gemakkelijk bereiken. Daar kunnen zachte robots het verschil maken. Ons doel is om de potentiële nieuwe helpende hand te bieden voor bijvoorbeeld het vastklemmen en hechten van apparaten die gebruikte worden tijdens operaties”, licht Van Hazeldonk toe.

Combinatie van grafeen en vloeibare kristallen

De onderzoekers combineerden grafeen met een vloeibare kristallen, wat een eveneens vervormbaar materiaal is. Uit deze combinatie vervaardigden zij een zachte robothand met vier bestuurbare en vervormbare ‘vingers’.

Een vloeibaar kristal kan zich als vloeistof of vaste vloeistof gedragen, afhankelijk van hoe het wordt verstoord. Indien het materiaal vloeit gedraagt het zich als een vloeistof. In speciale situaties kunnen de moleculen zich rangschikken en een regelmatig patroon of regelmatige structuur creëren. Vergelijkbaar met een kristal dat je onder een krachtige microscoop zou zien in een vast materiaal. “Het vermogen van vloeibare kristalmaterialen om zich zo te gedragen, is perfect als het gaat om het maken van zachte robots”, aldus Van Hazeldonk.

Liquid-crystal network actuators

Uit de combinatie van grafeen en vloeibare kristallen is door de onderzoekers een actuator gemaakt. Actuatoren zijn in robotsystemen verantwoordelijk voor het besturen en regelen van beweging. Waar een reguliere actuator wordt gevoed met elektriciteit, lucht of een vloeistof, is dit bij de nieuw ontwikkelde liquid-crystal network (LCN) actuators anders. De actuators vervormen dankzij het effect van warmte op op grafeen gebaseerde verwarmingselementen of sporen in de vingers van de grijper.

“Wanneer elektrische stroom door de zwarte grafeenbanen loopt, worden de banen warm en dan verandert de warmte van de banen de moleculaire structuur van de vingers van vloeibaar kristal en sommige moleculen gaan van geordend naar ongeordend. Dit leidt tot buiging van de vingers”, zegt Van Hazendonk. “Zodra de elektrische stroom wordt uitgeschakeld, gaat de warmte verloren en keert de grijper terug naar zijn oorspronkelijke staat.”

Niet zonder uitdaging

Dat is niet zonder uitdaging. “We moesten ervoor zorgen dat ze de juiste temperatuur bereikten om de vloeibare kristallaag te veranderen, en dat dit met een veilige elektrische spanning kon gebeuren. Aanvankelijk bereikten de grafeenelementen niet de juiste temperaturen bij veilige voltages, of ze zouden oververhit raken en het apparaat verbranden”, zegt Heiner Friedrich, Universitair Docent aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry van de TU/e. “Dit probleem en vele andere belangrijke uitdagingen werden opgelost door Zafeiris Khalil tijdens zijn onderzoek voor zijn MSc-scriptie.”

De actuator van de onderzoekers werkt probleemloos bij elektrische spanningen van minder dan 15 volt. De grijpers kunnen kleine voorwerpen met een gewicht van 70 tot 100 milligram optillen. De onderzoekers zien onder meer kansen in medische toepassingen zoals chirurgie, waar de robothand exacte en minuscule bewegingen van kleine gereedschappen, implantaten of biologisch weefsel kan verzorgen.

Nuttige en tastbare toepassing

Van Hazeldonk: “Ik vind het geweldig hoe ons werk een nuttige en tastbare toepassing combineert. Het grijpapparaat is gebaseerd op fundamentele technologieën, maar de actuator zelf zou de basis kunnen vormen voor een reeks toekomstige robots voor biomedische of chirurgische toepassingen.”

Het onderzoek van de onderzoekers is gepubliceerd in Applied Material & Interfaces en hier te vinden.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: fernando zhiminaicela via Pixabay