Hee, een kat! Oh nee, het is een autonoom vervormend stuk textiel… (video)

Engineers van Duke University (VS) hebben een schaalbaar zacht oppervlak ontwikkeld dat zichzelf continu kan hervormen. Met elektromagnetische aandrijving, mechanische modellering en machine learning, kan het oppervlak zelfs leren zich aan te passen aan hindernissen als onverwachte beperkingen of veranderende omgevingen.

Het onderzoek verscheen online in het tijdschrift Nature.

“We willen materiaaleigenschappen of mechanisch gedrag van een geconstrueerd object on-the-fly kunnen controleren, wat nuttig kan zijn voor toepassingen in de zachte robotica, augmented reality, biomimetische materialen en wearables”, zegt Xiaoyue Ni, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde bij Duke. “We concentreren ons op het ontwerpen van de vorm van materie die niet vooraf is bepaald, wat behoorlijk ingewikkeld te bereiken is, vooral bij zachte materialen.”

Eerder werk aan vervormende materie was volgens Ni meestal niet programmeerbaar, maar geprogrammeerd. Dat wil zeggen, zachte oppervlakken die zijn uitgerust met ontworpen actieve elementen, kunnen hun vorm veranderen in enkele andere vormen. Ni en haar laboratorium wilden echter iets creëren dat eindeloos kan veranderen en herconfigureren in alle fysiek mogelijke vormen.

Om zo’n oppervlak te creëren, begonnen de onderzoekers met het aanleggen van een raster van slangachtige lijnen gemaakt van een dunne laag goud omhuld door een dunne polymeerlaag. De afzonderlijke lijnen zijn slechts acht micrometer dik en minder dan een millimeter breed. Door de lichtheid kunnen magnetische krachten ze gemakkelijk en snel vervormen.

Om lokale krachten op te wekken, wordt het oppervlak in een laag statisch magnetisch veld geplaatst. Spanningsveranderingen creëren een complexe maar gemakkelijk voorspelbare elektrische stroom langs het gouden raster, waardoor de verplaatsing van het raster buiten het vlak wordt aangedreven.

Snel veranderen

“Dit is het eerste kunstmatige zachte oppervlak dat snel genoeg is om een ​​continu vormveranderend proces in de natuur nauwkeurig na te bootsen,” zei Ni. “Een belangrijke vooruitgang is het constructieve ontwerp dat een ongebruikelijke lineaire relatie tussen de elektrische ingangen en de resulterende vorm mogelijk maakt, waardoor het gemakkelijk is om erachter te komen hoe spanningen moeten worden toegepast om een ​​breed scala aan doelvormen te bereiken.”

Het nieuwe ‘meta-oppervlak’ pronkt met een breed scala aan vaardigheden op het gebied van vervormen en nabootsen. Het creëert uitstulpingen die oprijzen en over het oppervlak bewegen als een kat die onder een deken probeert weg te komen, oscillerende golfpatronen en een overtuigende replica van een vloeibare druppel die druipt en op een vast oppervlak valt. En het produceert deze vormen en gedragingen bij elke gewenste snelheid of versnelling, wat betekent dat het die opgesloten kat of druppelende druppel langzaam of snel steeds opnieuw kan verbeelden.

Met camera’s die het veranderende oppervlak in de gaten houden, kan het bewegende oppervlak ook leren om zelf vormen en patronen na te bootsen. Door de toegepaste spanningen langzaam aan te passen, neemt een lerend algoritme 3D-beeldfeedback op en berekent het welke effecten de verschillende ingangen hebben op de vorm van het meta-oppervlak.

“De besturing hoeft niets te weten over de fysica van de materialen, het neemt alleen kleine stapjes en kijkt of het dichter bij het doel komt of niet,” zei Ni. “Het duurt momenteel ongeveer twee minuten om een ​​nieuwe vorm te bereiken, maar we hopen uiteindelijk het feedbacksysteem en het leeralgoritme te verbeteren tot bijna realtime.”

Verrassingen

Omdat het oppervlak zichzelf leert te bewegen met vallen en opstaan, kan het zich ook aanpassen aan schade, onverwachte fysieke beperkingen of veranderingen in de omgeving. In één experiment leert het snel een uitpuilende heuvel na te bootsen, ondanks dat een van de lijnen is doorgesneden. In een andere slaagt het erin een vergelijkbare vorm na te bootsen, ondanks dat er een gewicht aan een van de knooppunten van het raster is bevestigd.

Er zijn veel directe mogelijkheden om de schaal en configuratie van het zachte oppervlak uit te breiden. Een reeks oppervlakken kan bijvoorbeeld de grootte vergroten tot die van een aanraakscherm. Of fabricagetechnieken met hogere precisie kunnen de grootte verkleinen tot één millimeter, waardoor het meer geschikt is voor biomedische toepassingen.

In de toekomst wil Ni robotachtige meta-oppervlakken maken met geïntegreerde vormgevoelige functies om realtime vorm na te bootsen van complexe, dynamische oppervlakken in de natuur, zoals de waterrimpelingen, visvinnen of het menselijk gezicht. Het lab kan ook onderzoeken of er meer componenten in het prototype kunnen worden geïntegreerd, zoals ingebouwde stroombronnen, sensoren, rekenhulpmiddelen of draadloze communicatiemogelijkheden.