Grafeen + vloeibare kristallen = ‘hete vingers’ (video)

Eindhovense onderzoekers hebben een zachte ‘robothand’ ontwikkeld van vloeibare kristallen en grafeen waarmee toekomstige chirurgische robots ontworpen zouden kunnen worden.

Het nieuwe werk is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials & Interfaces.

In onze toekomstige ziekenhuizen worden zachte robots misschien wel gebruikt als chirurgische robots. Maar eerst moeten onderzoekers uitzoeken hoe ze deze vervormbare robots precies kunnen besturen en laten bewegen. Bovendien bevatten veel van de huidige zachte robots metalen, waardoor hun functioneren in waterrijke omgevingen – zoals het menselijk lichaam – nogal beperkt is.

TU/e-onderzoekers hebben nu een zachte robothand of -grijper van grafeen en vloeibare kristallen ontworpen. Dat biedt mogelijkheden om zo’n apparaat in de toekomst veilig te gebruiken bij operaties.

Zacht denken

Laura van Hazendonk, PhD-onderzoeker bij de faculteit Chemical Engineering and Chemistry gebruikt vloeistoffen, gels en elastische materialen; die allemaal gemakkelijk vervormbaar zijn. “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.” Bij zachte robotica is het doel om robots te maken van materialen die in bepaalde situaties kunnen vervormen en zich dan gedragen als de meer traditionele harde robots.

“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.”

Voor hun onderzoek kozen Van Hazendonk en haar collega’s ervoor om een ander soort vervormbaar materiaal – vloeibare kristallen – samen met grafeen te gebruiken om een zacht grijpapparaat of ‘hand’ te maken met vier bestuurbare en vervormbare ‘vingers’.

“Een vloeibaar kristal gedraagt zich als een vloeistof of een vaste stof, afhankelijk van hoe het wordt geëxciteerd of verstoord. Als het vloeit, gedraagt het zich als een vloeistof. Maar in speciale situaties kunnen de moleculen in de vloeistof zichzelf rangschikken om een regelmatig patroon of regelmatige structuur te creëren, zoals een kristal dat je onder een krachtige microscoop zou zien in een vast materiaal”, legt Van Hazendonk uit. “Het vermogen van vloeibare kristalmaterialen om zich zo te gedragen, is perfect als het gaat om het maken van zachte robots.”

Uitdaging voor een actuator

Met de geselecteerde materialen gingen de onderzoekers aan de slag om een actuator te ontwerpen en te maken. “Actuators besturen en regelen de beweging in robotsystemen. Gewoonlijk reageert of beweegt de actuator wanneer hij wordt gevoed met elektriciteit, lucht of een vloeistof”,  zegt Van Hazendonk. “In ons werk hebben we iets anders gebruikt om liquid-crystal network (LCN) actuators aan te drijven.”

De onderzoekers ontwierpen een grijperapparaat met vier ‘vingers’ die worden aangestuurd met LCN-actuators die vervormen dankzij het effect van warmte op op grafeen gebaseerde verwarmingselementen of sporen in de vingers van de grijper of ‘hand’. [de zwarte lijnen in de afbeelding hierboven]

Buigen van de vingers

“Wanneer elektrische stroom door de zwarte grafeenbanen loopt, worden de banen warm en dan verandertde 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.”

Een van de grootste uitdagingen voor de onderzoekers had te maken met de grafeenverwarmingselementen. Heiner Friedrich, Universitair Docent aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry: “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.”

De onderzoekers ontwierpen uiteindelijk een actuator die zonder problemen werkt bij elektrische spanningen van minder dan 15 volt. De grijpers kunnen kleine voorwerpen van 70 en 100 milligram optillen. “Dit klinkt misschien niet als veel, maar in medische toepassingen zoals chirurgie kan dit nuttig zijn voor de exacte en minuscule beweging van kleine gereedschappen, implantaten of biologisch weefsel”, aldus Van Hazendonk.

Volledig geprinte robot

“We willen nu een volledig geprinte robot maken door een vloeibare kristallaag te 3D-printen. Voor onze grijper hebben we de laag gemaakt door materialen in een mal te gieten. Andere onderzoekers in de groep van Michael Debije hebben laten zien dat vloeibare kristallen geprint kunnen worden. Voor deze grijper hebben we de grafeenlaag geprint, dus het zou gaaf zijn om een volledig geprint apparaat te hebben.”