Zelfhelende materialen helpen de ontwikkeling van handexoskeletten
Iedereen heeft weleens gedroomd van een pak dat extra kracht of snelheid geeft net zoals Iron Man, maar voor sommige mensen is het een droom om hun handen simpelweg te kunnen bewegen. Dit type pak worden ook wel exoskeletten genoemd en kan beide dromen doen uitkomen. Het ontwikkelen van zo’n pak voor de hand is een zeer moeilijke opdracht door de vele bewegingen die een hand kan maken, maar gelukkig hebben we door dit onderzoek een manier gevonden om deze ontwikkeling een heel pak te vereenvoudigen!
Exoskeletten, het pak van de toekomst
Bij dieren zoals kevers komen exoskeletten als een uitwendig skelet voor die dient voor bescherming van het lichaam. Op een analoge manier wordt een exoskelet in de robotica gezien als een uitwendig systeem dat assisteert bij bepaalde bewegingen. Exoskeletten kunnen voorkomen voor de rug, schouders, benen maar ook handen. Stel je voor: je verliest alle motoriek in je hand, of je moet voor je werk de hele dag zware lasten tillen. In beiden situaties kan een exoskelet een wereld van verschil betekenen. Ook bij het revalideren na een zwaar ongeluk, is het belangrijk om de revalidatieoefeningen correct uit te voeren en daarbij kunnen exoskeletten een cruciale rol spelen.
Het is natuurlijk belangrijk dat deze exoskeletten veilig te gebruiken zijn. Indien metalen en zware motoren gebruikt worden, brengt dit altijd risico met zich mee. Om die reden worden exoskeletten, indien mogelijk, gemaakt uit zachte en flexibele materialen.
De video, het begin van alles
Allereerst moeten we bepalen welke beweging we willen dat ons toestel kan imiteren. Om de beweging van een vinger te begrijpen, maken we eerst een video van een bewegende vinger waarin we die beweging vastleggen. Daarna maken we gebruik van een zelfgeschreven programma, vergelijkbaar met die op smartphones voor gezichtsherkenning, om de vinger in de video te herkennen. We richten onze aandacht op de buiging van de vinger en plaatsen kleine markeringen waar de vinger buigt (gewrichten), en ook op de vingertop.
Ontwerp en bouw, een uitdaging op zich
Het handexoskelet heeft drie flexibele, bewegende delen die kunnen buigen, net zoals de gewrichten in onze handen. Een draad loopt door de hele exoskelet en veroorzaakt deze buiging, een beetje zoals marionetten maar dan met de kabel aan de binnenkant. Deze gewrichten worden aan elkaar gezet door stijve balken, die vergelijkbaar zijn met onze botten, omhuld door een flexibel materiaal, zoals het weefsel in de vinger.
Voor het weefsel kiezen we voor flexibel materiaal dat zichzelf herstelt als het beschadigd raakt. Een scheur kunnen we herstellen door het op te warmen en dan weer af te laten koelen. Dit is niet alleen handig als er iets kapotgaat, maar het helpt ons ook om het exoskelet te bouwen. We kunnen namelijk verschillende materialen met verschillende eigenschappen hierdoor samensmelten als één geheel. Dit concept opent een heel nieuwe wereld aan mogelijkheden voor het ontwerpen van de handexoskeletten. Zo kunnen we op een eenvoudige manier bewegingen imiteren die voordien zeer ingewikkelde ontwerpen nodig hadden. Ook hier kan je het tempo van de gewrichten afstellen op die vanuit de video via de materiaalkeuze.
De verschillende stappen in het productieproces waarbij eerst de mallen (witte onderdelen op de bovenste figuur) gevuld worden om de juiste vormen te bekomen (middelste figuur). Hierna worden de verschillende vormen samengesmolten tot het eindproduct (laatste figuur).
Een virtuele wereld biedt de oplossing
Om de nodige materialen te vinden, wordt beroep gedaan op de virtuele wereld. Mijn zelf ontworpen model bootst het handexoskelet na op de computer zodat deze niet in het echt gebouwd moet worden. Dit heeft enkele voordelen zoals tijdsbesparing maar ook minder materiaalverspilling, wat beide goed uitkomt voor de portemonnee. De virtuele wereld (mijn model) laat ons dus toe om snel en efficiënt verschillende combinaties van materialen te testen tot we de juiste gevonden hebben.
Hier kan je een virtueel model zien van het handexoskelet dat gebruikt kan worden om de juiste materialen te vinden.
Het prototype, een bron van informatie
Het virtueel ontwerp wordt vervolgens in de echte wereld gebracht. Het flexibele materiaal krijgt zijn gewenste vorm door het in vloeibare vorm in een mal te gieten en het materiaal te laten verharden. Door de valse botten in het ontwerp en de verschillende materialen voor de gewrichten, zijn er in totaal zes unieke mallen nodig! Eens alle onderdelen uitgehard zijn, worden ze samengevoegd dankzij de zelfherstellende eigenschappen van de materialen.
Nu we het handexoskelet gemaakt hebben, kunnen enkele experimenten uitgevoerd worden om te kijken of we de gewenste resultaten bekomen. Het virtuele model dat gebruikt werd voor het bepalen van de juiste materialen kan gezien worden als een vereenvoudiging van de werkelijkheid. Met deze experimenten bekijken we dus of deze vereenvoudigen geen grote fouten maken. Gelukkig bleek dat we nog steeds kunnen rekenen op onze computers!
Een tweede experiment maakt het mogelijk om de beweging van de video te vergelijken met deze van het handexoskelet. Ook hier kan gesproken worden van een succes zoals zichtbaar op de figuur hieronder.
Het handexoskelet bootst de natuurlijke beweging van de vinger mooi na.
Wanneer iemand de beweging in zijn hand verliest, heeft dit grote impact op zijn zelfstandigheid. Een handexoskelet ontwikkelen dat mensen kan assisteren of helpen bij revalidatie is zeer ingewikkeld. Gelukkig bevindt het onderzoek naar assistentie bieden voor mensen met een handbeperking, zich al in een veelbelovende fase. Dankzij dit werk, is de ontwikkeling van dit soort handexoskeletten makkelijker geworden wat dit onderzoek weer een stukje vooruit helpt. Je kan je wel inbeelden dat we nog een hele weg af te leggen hebben naar een pak dat voor bovenmenselijke krachten zorgt. Dit werk voegt een steen toe aan deze weg door een stappenplan te ontwikkelen voor het assisteren van een specifieke handbeweging. Zoals men zegt, vele kleintjes maken een grote.
