Vloeibare robot roept herinneringen op aan Hollywoodklassieker

Een robot die zich door een opening wringt die kleiner is dan zijn eigen diameter, zich opsplitst en weer samensmelt, of onderweg vloeistoffen en vaste deeltjes oppikt. We hebben het hier niet over een nieuw deel uit de Terminator-serie, maar over een onderzoek van Seoul National University.

Volgens dit onderzoek zijn eerder genoemde functionaliteiten niet per se afhankelijk zijn van complexe elektronica of geavanceerde actuatoren. De onderzoekers ontwikkelden een zogeheten particle-armored liquid robot (PB): een waterdruppel die volledig is omhuld door een dichte laag superhydrofobe PTFE-deeltjes. Dankzij die deeltjeslaag gedraagt de druppel zich niet langer als een gewone vloeistof, maar krijgt hij eigenschappen die normaal gesproken met vaste materialen worden geassocieerd.

De fabricage van de robot is relatief eenvoudig. Een ijsbol wordt volledig bedekt met PTFE-vlokken van circa 34 micrometer. Zodra het ijs smelt, blijft een waterdruppel over die wordt omsloten door een compacte laag kunststofdeeltjes. Die laag vormt geen gesloten membraan. In plaats daarvan raken de PTFE-deeltjes mechanisch in elkaar vergrendeld, een verschijnsel dat bekendstaat als particle jamming. Daardoor ontstaat een flexibele, maar verrassend sterke schil die de vloeistof bijeenhoudt, zelfs wanneer deze sterk wordt vervormd.

Het resultaat is een hybride systeem: de vloeibare kern zorgt voor een grote vervormbaarheid, terwijl de gejamde deeltjeslaag voldoende mechanische sterkte biedt om de vorm gecontroleerd te veranderen en objecten te manipuleren. De onderzoekers omschrijven de constructie daarom als een vloeistof met een programmeerbare mechanische buitenlaag.

Liquid marble

Waterdruppels die zijn bedekt met hydrofobe deeltjes – zogenoemde liquid marbles – zijn al langer bekend binnen de materiaalkunde. Het nieuwe onderzoek onderscheidt zich doordat de onderzoekers een veel dichtere laag PTFE-deeltjes toepassen. Daardoor wordt de buitenlaag aanzienlijk stijver zonder dat de druppel zijn vervormbaarheid verliest. Dat maakt functies mogelijk die met klassieke liquid marbles nauwelijks uitvoerbaar zijn.

Zo kan de robot zich door zeer nauwe openingen bewegen, over zowel water als vaste oppervlakken navigeren, vloeistoffen en vaste deeltjes opnemen, zich opsplitsen en weer samensmelten. Twee afzonderlijke robots kunnen bovendien verschillende stoffen transporteren en deze na het samensmelten met elkaar laten reageren.

Geen autonome besturing

Ondanks de benaming ‘vloeibare robot’ beschikt het systeem niet over een eigen energievoorziening of autonome besturing. De beweging wordt extern opgewekt met ultrasone golven, waarmee de onderzoekers de druppel gecontroleerd laten bewegen en vervormen. De robotfunctie schuilt dan ook niet in elektronica of software, maar in de combinatie van materiaaleigenschappen die gecontroleerde handelingen mogelijk maakt, zoals transporteren, grijpen, samensmelten en het uitvoeren van chemische reacties.

Voorlopig bevindt de technologie zich nog in een vroeg stadium. De huidige robots zijn millimetergroot en functioneren uitsluitend onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden. Toch laat het onderzoek zien dat nieuwe materiaalsystemen de mogelijkheden van zachte robotica aanzienlijk kunnen vergroten. Niet door krachtigere elektronica of slimmere software, maar door materialen te ontwikkelen die vloeibare en vaste eigenschappen combineren.