Ontwerp en afstemming van een elastische opblaasbare actuator met een niet-lineaire respons

Bert Van Raemdonck
Ballonnen zijn niet enkel leuk op feestjes, ze zijn ook zeer interessant vanuit technologisch standpunt. Zo kunnen we ze samenstellen tot zachte robots die klein, goedkoop en veilig zijn en die zelfs geen sturende elektronica nodig hebben. Deze thesis stelt een nieuwe ballonachtige structuur voor die nieuw complex gedrag van die puur mechanische constructies mogelijk maakt.

Knappe(nde) robots

Welk onderdeel is onmisbaar om veilige, goedkope en intelligente robots te maken? De nieuwste microcontroller? De fijnste motor? Of misschien de nauwkeurigste sensor? Nee, denk minder hoogtechnologisch... en meer feestelijk. Denk aan een alledaagse rubberen ballon. Want met ballonnen alleen kan je al complexe robots maken.

Traditioneel bestaan robots uit stijve onderdelen aangedreven door elektrische motoren. Daardoor kunnen ze snel, nauwkeurig en krachtig bewegen. Maar hun stijfheid heeft ook belangrijke nadelen. Zo kunnen industriële robotarmen gemakkelijk botten breken als ze iemand met volle kracht raken. In bedrijven zullen ze daarom altijd ofwel achter een beschermende afsluiting staan, ofwel langzaam bewegen.

Bovendien kunnen stijve robots zich moeilijk aanpassen aan onzekerheden in hun omgeving. Denk maar aan die filmpjes van robots die voorzichtig proberen te wandelen op ruw terrein maar daar komisch in mislukken. Of probeer eens een voorwerp op te tillen tussen twee harde kaften en dan tussen twee kussens. De kaften moet je heel precies plaatsen en samendrukken om het voorwerp stevig op te nemen terwijl je de kussens alleen maar heel vaag tegen elkaar moet mikken.  Het verschil is dat de kaften hun vorm niet aanpassen aan het voorwerp en de kracht dus niet goed verdelen. Dat wordt al helemaal duidelijk als je een breekbare eierschaal probeert op te nemen.

De softies van de robotica

Toch zijn er tegenwoordig stijve robots die bijvoorbeeld tomaten kunnen plukken. Dat kan enkel dankzij een hele hoop sensoren en verwerkingskracht. Daardoor zijn zulke systemen duur, groot en nog steeds beperkt tot zeer specifieke toepassingen. Maar waarom al die moeite doen? In de soft robotics omarmen we de natuurlijke buigzaamheid van structuren om goedkope, compacte en eenvoudige robots te maken die toch veel kunnen. Zo zijn er tentakelachtige robots die vrijwel elk voorwerp vast kunnen nemen. Of actieve handschoenen om de handspieren opnieuw te trainen na een fysiek trauma. Of schattige robotjes die over ruw terrein kunnen trippelen en zich door spleten kunnen wurmen. De toepassingen in de voedingsindustrie, medische sector en reddingswerken zijn eindeloos.

Eén type zachte robot is de opblaasbare. Die bestaat uit secties die er uit zien als rubberen ballonnen met een bijzondere vorm of samenstelling. De vorm van de ballon en de verdeling van de materialen bepalen de vervorming tijdens het opblazen. Zo kan de ene sectie buigen als een vinger en de andere samentrekken als een spier. Het concept is zo eenvoudig dat je het thuis kan uitproberen. Als je bijvoorbeeld één kant van een ballon bedekt met stevige tape en hem opblaast, zal hij buigen naar de tape toe. Werk je met een cilindervormige ballon, dan is dat al het begin van je eigen zachte robotgrijper!

Bizarre ballonnen

Ballonnen die op een speciale manier vervormen zijn nog geen complexe, intelligente robots. Gewoonlijk heb je daarvoor nog elektronisch gestuurde kleppen, sensoren en software nodig. Maar in plaats van software, kan je ook zachte hardware gebruiken als het brein van de robot. Om te begrijpen hoe dat kan moet je denken aan hoe het precies voelt om een ronde ballon op te blazen. Dat gebeurt niet geleidelijk aan. In het begin is het eenvoudig maar dan stoot je op een muur. Pas wanneer je echt veel druk zet, breek je plots door die muur en lijkt de ballon als vanzelf te groeien. Wie een ballon amper opgeblazen krijgt, heeft dus geen veel zwakkere longen dan iemand die een ballon kan doen knappen. Hij of zij haalt gewoon nét niet genoeg druk om door de muur te breken, wat we doorslag noemen. Het omgekeerde, terugslag, gebeurt bij het aflaten van de ballon.

Het doorslageffect mag dan vervelend zijn voor sommigen, maar het is wel nuttig vanuit een technologisch standpunt. Zo kan een kleine drukstijging een grote beweging veroorzaken, zodat je ballon eigenlijk een mechanische contactsensor wordt. Je kan ook verschillende ballonnen aansluiten op dezelfde leiding voor een verbazingwekkend effect. Wanneer je lucht in de leiding blaast, zal immers eerst de ballon met de laagste doorslagdruk groeien en dan pas de volgende. Bij het aflaten hangt de volgorde af van de relatieve terugslagdrukken. Het kan zelfs gebeuren dat de doorslag van de ene ballon de terugslag van een andere veroorzaakt. Door de verschillende kritische drukken goed te kiezen, kan je dus een ingewikkelde serie van bewegingen ontwerpen. Dat allemaal zonder elektronica en met maar één enkele leiding naar een pomp.

Van knijpspeeltjes tot darmchirurgie

Gewone ronde ballonnen hebben dus verbazingwekkend nuttige eigenschappen. Helaas zetten ze te veel uit in alle richtingen en barsten ze te snel om ze in echte zachte robots te gebruiken. Cilindervormige ballonnen zijn dan bijvoorbeeld weer wat compacter, maar vertonen geen doorslag. We beschikten dus niet over een manier om die fascinerende effecten écht te gebruiken. Daarom ging ik op zoek naar een nieuwe zachte structuur die tegelijkertijd compact en robuust is én die kan doorslaan. Die structuur vond ik uiteindelijk niet terug tussen de feestartikelen, maar wel tussen het speelgoed.

Misschien herinner je de rage van enkele jaren geleden nog: schattige dierensleutelhangers met enorme ogen. Je kan er in knijpen als een stressbal en dan springen de ogen met een vermakelijke maar morbide ‘plop’ uit hun kassen. De oogkassen zijn komvormige stukken rubber die zeer snel doorslaan wanneer de druk in het beestje hoog genoeg wordt. Vandaar de ‘plop’. Vereenvoudig je de vorm van het speelgoed tot je alleen de oogkasstructuur over houdt, heb je het perfecte onderdeel voor een complexe zachte robot.

Afbeelding van een knijpspeeltje met uitschietende ogen met daarnaast de ontwikkelde zachte robotstructuur voor en na het opblazen.Image removed.

Aan de hand van vergelijkingen, computersimulaties en experimenten maakte ik uiteindelijk een model van de structuur. Daardoor kan je snel de komvorm vinden die een gewenste door- en terugslagdruk geeft. Zo kan je complexe zachte robotsystemen beginnen  te ontwerpen. Stel je bijvoorbeeld een robot voor die kruipt en automatisch zijn weg zoekt door bochtige gangen zonder hard op de wand te duwen. Pijn tijdens darmchirurgie zou daardoor kunnen verminderen en pas ingestorte gebouwen zouden veiliger verkend kunnen worden.   En dat allemaal dankzij die kleurrijke ballonen die je met veel moeite opblaast om feestjes op te leuken. Dát is pas adembenemend.

Bibliografie

[1] L. Hines, K. Petersen, G. Z. Lum, and M. Sitti, “Soft Actuators for Small-Scale Robotics,” Advanced Materials, vol. 29, Apr 4 2017.

[2] D. Rus and M. T. Tolley, “Design, fabrication and control of soft robots,” Nature, vol. 521, pp. 467–475, May 28 2015.

[3] S. Kim, C. Laschi, and B. Trimmer, “Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics,” Trends In Biotechnology, vol. 31, pp. 23–30, May 2013.

[4] R. Deimel, O. Brock, and Ieee, “A Compliant Hand Based on a Novel Pneumatic Actuator,” in IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA, pp. 2047–2053, 2013.

[5] R. F. Shepherd, F. Ilievski, W. Choi, S. A. Morin, A. A. Stokes, A. D. Mazzeo, X. Chen, M. Wang, and G. M. Whitesides, “Multigait soft robot,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 108, no. 51, pp. 20400–20403, 2011.

[6] J. Kim, Microscale Soft Robotics: Motivations, Progress, and Outlook. Springer- Briefs in Applied Sciences and Technology, Springer International Publishing, 2017.

[7] D. Glozman, N. Hassidov, M. Senesh, and M. Shoham, “A Self-Propelled Inflatable Earthworm-Like Endoscope Actuated by Single Supply Line,” Ieee Transactions on Biomedical Engineering, vol. 57, no. 6, pp. 1264–1272, 2010.

[8] P. Polygerinos, S. Lyne, Z. Wang, L. F. Nicolini, B. Mosadegh, G. M. Whitesides, and C. J. Walsh, “Towards a Soft Pneumatic Glove for Hand Rehabilitation,” in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1512– 1517, 2013.

[9] B. Mosadegh, P. Polygerinos, C. Keplinger, S. Wennstedt, R. F. Shepherd, U. Gupta, J. Shim, K. Bertoldi, C. J. Walsh, and G. M. Whitesides, “Pneumatic Networks for Soft Robotics that Actuate Rapidly,” Advanced Functional Materials, vol. 24, no. 15, pp. 2163–2170, 2014.

[10] F. Connolly, P. Polygerinos, C. J. Walsh, and K. Bertoldi, “Mechanical Programming of Soft Actuators by Varying Fiber Angle,” Soft Robotics, vol. 2, no. 1, pp. 26–32, 2015.

[11] C. P. Chou and B. Hannaford, “Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles,” Ieee Transactions on Robotics and Automation, vol. 12, no. 1, pp. 90–102, 1996.

[12] J. T. B. Overvelde, T. Kloek, J. J. A. D’Haen, and K. Bertoldi, “Amplifying the response of soft actuators by harnessing snap-through instabilities,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 112, no. 35, pp. 10863–10868, 2015.

[13] D. Yang, M. S. Verma, J. H. So, B. Mosadegh, C. Keplinger, B. Lee, F. Khashai, E. Lossner, Z. G. Suo, and G. M. Whitesides, “Buckling pneumatic linear actuators inspired by muscle,” Advanced Materials Technologies, vol. 1, no. 3, 2016.

[14] B. Gorissen, C. Van Hoof, D. Reynaerts, and M. De Volder, “SU8 etch mask for patterning PDMS and its application to flexible fluidic microactuators,” Microsystems & Nanoengineering, vol. 2, 2016.

[15] B. Gorissen, D. Reynaerts, S. Konishi, K. Yoshida, J. W. Kim, and M. De Volder, “Elastic Inflatable Actuators for Soft Robotic Applications,” Advanced Materials, vol. 29, no. 43, 2017.

[16] R. Mangan and M. Destrade, “Gent models for the inflation of spherical balloons,” International Journal of Non-Linear Mechanics, vol. 68, pp. 52–58, 2015.

[17] I. Müller and P. Strehlow, Rubber and Rubber Balloons: Paradigms of Thermodynamics. Lecture Notes in Physics, Springer Berlin Heidelberg, 2004.

[18] K. Bertoldi, P. M. Reis, S. Willshaw, and T. Mullin, “Negative poisson’s ratio behavior induced by an elastic instability,” Advanced Materials, vol. 22, no. 3, pp. 361–+, 2010.

[19] T. F. Li, C. Keplinger, R. Baumgartner, S. Bauer, W. Yang, and Z. G. Suo, “Giant voltage-induced deformation in dielectric elastomers near the verge of snap-through instability,” Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 61, no. 2, pp. 611–628, 2013.

[20] L. Belding, B. Baytekin, H. T. Baytekin, P. Rothemund, M. S. Verma, A. Nemiroski, D. Sameoto, B. A. Grzybowski, and G. M. Whitesides, “Slit Tubes for Semisoft Pneumatic Actuators,” Advanced Materials, vol. 30, Mar 1 2018.

[21] L. Meunier, G. Chagnon, D. Favier, L. Orgeas, and P. Vacher, “Mechanical experimental characterisation and numerical modelling of an unfilled silicone rubber,” Polymer Testing, vol. 27, no. 6, pp. 765–777, 2008.

[22] M. Mooney, “A theory of large elastic deformation,” Journal of Applied Physics, vol. 11, no. 9, pp. 582–592, 1940.

[23] R. Rivlin, “Large elastic deformations of isotropic materials. i. fundamental concepts,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 240, no. 822, pp. 459–490, 1948.

[24] R. W. Ogden, “Large deformation isotropic elasticity - correlation of theory and experiment for incompressible rubberlike solids,” Proceedings of the Royal Society of London Series a-Mathematical and Physical Sciences, vol. 326, no. 1567, pp. 565–584, 1972.

[25] A. N. Gent, “A new constitutive relation for rubber,” Rubber Chemistry and Technology, vol. 69, no. 1, pp. 59–61, 1996.

[26] A. N. Gent, “Elastic instabilities in rubber,” International Journal of Non-Linear Mechanics, vol. 40, no. 2-3, pp. 165–175, 2005.

[27] Y. Sun, S. Song, X. Q. Liang, and H. L. Ren, “A Miniature Soft Robotic Manipulator Based on Novel Fabrication Methods,” Ieee Robotics and Automation Letters, vol. 1, no. 2, pp. 617–623, 2016.

[28] K. Suzumori, S. Endo, T. Kanda, N. Kato, H. Suzuki, and Ieee, “A bending pneumatic rubber actuator realizing soft-bodied manta swimming robot,” in IEEE International Conference on Robotics and Automation, IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA, pp. 4975–+, 2007.

[29] G. Y. Mao, T. F. Li, Z. N. Zou, S. X. Qu, and M. X. Shi, “Prestretch effect on snap-through instability of short-length tubular elastomeric balloons under inflation,” International Journal of Solids and Structures, vol. 51, no. 11-12, pp. 2109–2115, 2014.

[30] T.Wang, F. Xu, Y. Huo, and M. Potier-Ferry, “Snap-through instabilities of pressurized balloons: Pear-shaped bifurcation and localized bulging,” International Journal of Non-Linear Mechanics, vol. 98, pp. 137–144, 2018.

[31] R. Hopf, L. Bernardi, J. Menze, M. Zundel, E. Mazza, and A. E. Ehret, “Experimental and theoretical analyses of the age-dependent large-strain behavior of Sylgard 184 (10:1) silicone elastomer,” Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, vol. 60, pp. 425–437, 2016.

[32] S. Cantournet, R. Desmorat, and J. Besson, “Mullins effect and cyclic stress softening of filled elastomers by internal sliding and friction thermodynamics model,” International Journal of Solids and Structures, vol. 46, no. 11, pp. 2255 – 2264, 2009.

[33] E. L. Zheng, F. Jia, and X. L. Zhou, “Energy-based method for nonlinear characteristics analysis of belleville springs,” Thin-Walled Structures, vol. 79, pp. 52–61, 2014.

[34] J. M. Auzin, “Squeezable pop-out action toy,” May 1954. United States patent US2668394A.

[35] M. T. Hsu, “Deformable toy,” Aug 2006. United States patent application US20080038988A1.

[36] E. B. van der Houwen, L. H. Kuiper, J. G. M. Burgerhof, B. van der Laan, and G. J. Verkerke, “Functional buckling behavior of silicone rubber shells for biomedical use,” Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, vol. 28, pp. 47–54, 2013.

[37] Smooth-On, “Dragon Skin®30 Product Information,” 2018. https://www. smooth-on.com/products/dragon-skin-30/, accessed on 2018-04-16.

[38] J. L. Sparks, N. A. Vavalle, K. E. Kasting, B. Long, M. L. Tanaka, P. A. Sanger, K. Schnell, and T. A. Conner-Kerr, “Use of Silicone Materials to Simulate Tissue Biomechanics as Related to Deep Tissue Injury,” Advances in Skin & Wound Care, vol. 28, no. 2, pp. 59–68, 2015.

[39] E. Riks, “Incremental approach to the solution of snapping and buckling problems,” International Journal of Solids and Structures, vol. 15, no. 7, pp. 529–551, 1979.

[40] Dassault Systèmes, “Hyperelastic behavior of rubberlike materials,” 2011. http://130.149.89.49:2080/v6.11/books/usb/default.htm?startat= pt05ch21s05abm07.html, accessed on 2018-05-06.

[41] G. Agarwal, N. Besuchet, B. Audergon, and J. Paik, “Stretchable Materials for Robust Soft Actuators towards Assistive Wearable Devices,” Scientific reports, vol. 6, Sep 2016.

[42] stratasys, “Vero,” 2016. http://www.stratasys.com/materials/search/ vero, accessed on 2018-05-16.

[43] stratasys, “Objet30 Prime Specifications,” 2016. http://www.stratasys.com/ 3d-printers/objet30-prime, accessed on 2018-05-16.

[44] Keller AG, “Piezoresistive Transmitters and Transducers.” http: //www.farnell.com/datasheets/17541.pdf?_ga=2.77217107.755514668. 1526647930-685752999.1526647930, accessed on 2018-05-18.

[45] P. Rothemund, A. Ainla, L. Belding, D. J. Preston, S. Kurihara, Z. Suo, and G. M. Whitesides, “A soft, bistable valve for autonomous control of soft actuators,” Science Robotics, vol. 3, no. 16, 2018. 

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Dominiek Reynaerts, Benjamin Gorissen
Kernwoorden
Share this on: