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.
Bibliografie
[1] ‘Soft Robotics: Academic Insights and Perspectives Through Bibliometric Analysis | Soft Robotics’. https://www-liebertpub-com.myezproxy.vub.ac.be/doi/10.1089/soro.2017.01… (accessed Nov. 16, 2022).
[2] T. Shahid, D. Gouwanda, S. G. Nurzaman, and A. A. Gopalai, ‘Moving toward Soft Robotics: A Decade Review of the Design of Hand Exoskeletons’, Biomimetics, vol. 3, no. 3, Art. no. 3, Sep. 2018, doi: 10.3390/biomimetics3030017.
[3] R. A. Bilodeau and R. K. Kramer, ‘Self-Healing and Damage Resilience for Soft Robotics: A Review’, Front. Robot. AI, vol. 4, 2017, Accessed: Nov. 16, 2022. [Online]. Available: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2017.00048
[4] S. Kumar, C. Savur, and F. Sahin, ‘Survey of Human–Robot Collaboration in Industrial Settings: Awareness, Intelligence, and Compliance’, IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Syst., vol. 51, no. 1, pp. 280–297, Jan. 2021, doi: 10.1109/TSMC.2020.3041231.
[5] ‘Actuators for Soft Robotics | SpringerLink’. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-32552- 1_21 (accessed Nov. 17, 2022).
[6] C.-H. Liu, C.-H. Chiu, T.-L. Chen, T.-Y. Pai, Y. Chen, and M.-C. Hsu, ‘A soft robotic gripper module with 3d printed compliant fingers for grasping fruits’, presented at the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM, 2018, pp. 736–741. doi: 10.1109/AIM.2018.8452420.
[7] N. R. Sinatra, C. B. Teeple, D. M. Vogt, K. K. Parker, D. F. Gruber, and R. J. Wood, ‘Ultragentle manipulation of delicate structures using a soft robotic gripper’, Sci. Robot., vol. 4, no. 33, p. eaax5425, Aug. 2019, doi: 10.1126/scirobotics.aax5425.
[8] J. Jørgensen, ‘Interaction with Soft Robotic Tentacles’, in Companion of the 2018 ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction, in HRI ’18. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, Mar. 2018, p. 38. doi: 10.1145/3173386.3177838.
[9] J. Saldien, B. Vanderborght, and D. Lefeber, ‘The social Robotplatform Probo’, in Proceedings of the 28th Annual European Conference on Cognitive Ergonomics, in ECCE ’10. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, Aug. 2010, pp. 363–364. doi: 10.1145/1962300.1962386.
[10] H. Wang, R. Zhang, W. Chen, X. Wang, and R. Pfeifer, ‘A cable-driven soft robot surgical system for cardiothoracic endoscopic surgery: preclinical tests in animals’, Surg. Endosc., vol. 31, no. 8, pp. 3152– 3158, Aug. 2017, doi: 10.1007/s00464-016-5340-9.
[11] B. Mazzolai et al., ‘Roadmap on soft robotics: multifunctionality, adaptability and growth without borders’, Multifunct. Mater., vol. 5, no. 3, p. 032001, Aug. 2022, doi: 10.1088/2399-7532/ac4c95.
[12] C. Zhang, P. Zhu, Y. Lin, Z. Jiao, and J. Zou, ‘Modular Soft Robotics: Modular Units, Connection Mechanisms, and Applications’, Adv. Intell. Syst., vol. 2, no. 6, p. 1900166, 2020, doi: 10.1002/aisy.201900166.
[13] W. Yang et al., ‘Multifunctional Soft Robotic Finger Based on a Nanoscale Flexible Temperature–Pressure Tactile Sensor for Material Recognition’, ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 13, no. 46, pp. 55756–55765, Nov. 2021, doi: 10.1021/acsami.1c17923.
[14] S. Terryn et al., ‘A review on self-healing polymers for soft robotics’, Mater. Today, vol. 47, pp. 187–205, Jul. 2021, doi: 10.1016/j.mattod.2021.01.009.
[15] R. B. N. Scharff, J. Wu, J. M. P. Geraedts, and C. C. L. Wang, ‘Reducing Out-of-Plane Deformation of Soft Robotic Actuators for Stable Grasping’, in 2019 2nd IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), Apr. 2019, pp. 265–270. doi: 10.1109/ROBOSOFT.2019.8722823.
[16] L. Ionov, ‘Hydrogel-based actuators: possibilities and limitations’, Mater. Today, vol. 17, no. 10, pp. 494– 503, Dec. 2014, doi: 10.1016/j.mattod.2014.07.002.
[17] J. Walker et al., ‘Soft Robotics: A Review of Recent Developments of Pneumatic Soft Actuators’, Actuators, vol. 9, no. 1, Art. no. 1, Mar. 2020, doi: 10.3390/act9010003.
[18] S. Terryn, J. Brancart, D. Lefeber, G. Van Assche, and B. Vanderborght, ‘Self-healing soft pneumatic robots’, Sci. Robot., vol. 2, no. 9, p. eaan4268, Aug. 2017, doi: 10.1126/scirobotics.aan4268.
[19] Adaptive Gripper Fingers, (Oct. 31, 2018). Accessed: Nov. 17, 2022. [Online Video]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=jOc3e5O5OPM
[20] T. Takuma, ‘Design of Tendon-Driven Mechanism Using Geometrical Condition’, Actuators, vol. 9, no. 3, Art. no. 3, Sep. 2020, doi: 10.3390/act9030048.
[21] H. Wang, S. Cui, Y. Wang, and C. Song, ‘A Hybrid Electromagnetic and Tendon-Driven Actuator for Minimally Invasive Surgery’, Actuators, vol. 9, no. 3, Art. no. 3, Sep. 2020, doi: 10.3390/act9030092.
[22] E. Roels, S. Terryn, J. Brancart, G. Van Assche, and B. Vanderborght, ‘A Multi-Material Self-Healing Soft Gripper’, in 2019 2nd IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), Apr. 2019, pp. 316–321. doi: 10.1109/ROBOSOFT.2019.8722781.
[23] E. Roels et al., ‘Processing of Self-Healing Polymers for Soft Robotics’, Adv. Mater., vol. 34, no. 1, p. 2104798, 2022, doi: 10.1002/adma.202104798.
[24] N. Guo and M. C. Leu, ‘Additive manufacturing: technology, applications and research needs’, Front. Mech. Eng., vol. 8, no. 3, pp. 215–243, Sep. 2013, doi: 10.1007/s11465-013-0248-8.
[25] ‘Additive Manufacturing for Self-Healing Soft Robots | Soft Robotics’. https://www-liebertpubcom.myezproxy.vub.ac.be/doi/10.1089/soro.2019.0081 (accessed Nov. 17, 2022).
[26] M. Bhuvanesh Kumar and P. Sathiya, ‘Methods and materials for additive manufacturing: A critical review on advancements and challenges’, Thin-Walled Struct., vol. 159, p. 107228, Feb. 2021, doi: 10.1016/j.tws.2020.107228.
[27] G. Alici, ‘Softer is Harder: What Differentiates Soft Robotics from Hard Robotics?’, MRS Adv., vol. 3, no. 28, pp. 1557–1568, Jun. 2018, doi: 10.1557/adv.2018.159.
[28] S. Terryn, E. Roels, J. Brancart, G. Van Assche, and B. Vanderborght, ‘Self-Healing and High Interfacial Strength in Multi-Material Soft Pneumatic Robots via Reversible Diels–Alder Bonds’, Actuators, vol. 9, no. 2, Art. no. 2, Jun. 2020, doi: 10.3390/act9020034.
[29] R. A. T. M. van Benthem, W. (Marshall) Ming, and G. (Bert) de With, ‘Self Healing Polymer Coatings’, in Self Healing Materials: An Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science, S. van der Zwaag, Ed., in Springer Series in Materials Science. Dordrecht: Springer Netherlands, 2007, pp. 139–159. doi: 10.1007/978-1-4020-6250-6_7.
[30] H. M. Jonkers, ‘Self Healing Concrete: A Biological Approach’, in Self Healing Materials: An Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science, S. van der Zwaag, Ed., in Springer Series in Materials Science. Dordrecht: Springer Netherlands, 2007, pp. 195–204. doi: 10.1007/978-1-4020-6250-6_9.
[31] S. Xu, A. García, J. Su, Q. Liu, A. Tabaković, and E. Schlangen, ‘Self-Healing Asphalt Review: From Idea to Practice’, Adv. Mater. Interfaces, vol. 5, no. 17, p. 1800536, 2018, doi: 10.1002/admi.201800536.
[32] E. Calabrese et al., ‘Design of self-healing catalysts for aircraft application’, Int. J. Struct. Integr., vol. 9, no. 6, pp. 723–736, Jan. 2018, doi: 10.1108/IJSI-12-2017-0077.
[33] R. Frei, R. McWilliam, B. Derrick, A. Purvis, A. Tiwari, and G. Di Marzo Serugendo, ‘Self-healing and selfrepairing technologies’, Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 69, no. 5, pp. 1033–1061, Nov. 2013, doi: 10.1007/s00170-013-5070-2.
[34] S. J. Benight, C. Wang, J. B. H. Tok, and Z. Bao, ‘Stretchable and self-healing polymers and devices for electronic skin’, Prog. Polym. Sci., vol. 38, no. 12, pp. 1961–1977, Dec. 2013, doi: 10.1016/j.progpolymsci.2013.08.001.
[35] Y. Chen, X. Tan, D. Yan, Z. Zhang, and Y. Gong, ‘A Composite Fabric-Based Soft Rehabilitation Glove With Soft Joint for Dementia in Parkinson’s Disease’, IEEE J. Transl. Eng. Health Med., vol. 8, pp. 1–10, 2020, doi: 10.1109/JTEHM.2020.2981926.
[36] O. A. van Nierop, A. van der Helm, K. J. Overbeeke, and T. J. P. Djajadiningrat, ‘A natural human hand model’, Vis. Comput., vol. 24, no. 1, pp. 31–44, Jan. 2008, doi: 10.1007/s00371-007-0176-x.
[37] Y. Xue, Z. Ju, K. Xiang, J. Chen, and H. Liu, ‘Multimodal Human Hand Motion Sensing and Analysis—A Review’, IEEE Trans. Cogn. Dev. Syst., vol. 11, no. 2, pp. 162–175, Jun. 2019, doi: 10.1109/TCDS.2018.2800167.
[38] S. Panchal-Kildare and K. Malone, ‘Skeletal Anatomy of the Hand’, Hand Clin., vol. 29, no. 4, pp. 459–471, Nov. 2013, doi: 10.1016/j.hcl.2013.08.001.
[39] M. A. Abdul Wahit, S. A. Ahmad, M. H. Marhaban, C. Wada, and L. I. Izhar, ‘3D Printed Robot Hand Structure Using Four-Bar Linkage Mechanism for Prosthetic Application’, Sensors, vol. 20, no. 15, Art. no. 15, Jan. 2020, doi: 10.3390/s20154174.
[40] G. ElKoura and K. Singh, ‘Handrix: Animating the Human Hand’, p. 11.
[41] R. H. Chowdhury, M. B. I. Reaz, M. A. B. M. Ali, A. A. A. Bakar, K. Chellappan, and T. G. Chang, ‘Surface Electromyography Signal Processing and Classification Techniques’, Sensors, vol. 13, no. 9, Art. no. 9, Sep. 2013, doi: 10.3390/s130912431.
[42] B. B. Kang, H. Choi, H. Lee, and K.-J. Cho, ‘Exo-Glove Poly II: A Polymer-Based Soft Wearable Robot for the Hand with a Tendon-Driven Actuation System’, Soft Robot., vol. 6, no. 2, pp. 214–227, Apr. 2019, doi: 10.1089/soro.2018.0006.
[43] Y. Chen, Z. Yang, and Y. Wen, ‘A Soft Exoskeleton Glove for Hand Bilateral Training via Surface EMG’, Sensors, vol. 21, no. 2, Art. no. 2, Jan. 2021, doi: 10.3390/s21020578.
[44] P. Polygerinos, Z. Wang, K. C. Galloway, R. J. Wood, and C. J. Walsh, ‘Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation’, Robot. Auton. Syst., vol. 73, pp. 135–143, Nov. 2015, doi: 10.1016/j.robot.2014.08.014.
[45] Z. Sun, Z. Guo, and W. Tang, ‘Design of wearable hand rehabilitation glove with soft hoop-reinforced pneumatic actuator’, J. Cent. South Univ., vol. 26, no. 1, pp. 106–119, Jan. 2019, doi: 10.1007/s11771-019- 3986-x.
[46] P. Ben-Tzvi, J. Danoff, and Z. Ma, ‘The Design Evolution of a Sensing and Force-Feedback Exoskeleton Robotic Glove for Hand Rehabilitation Application’, J. Mech. Robot., vol. 8, no. 5, May 2016, doi: 10.1115/1.4032270.
[47] N. Takahashi, S. Furuya, and H. Koike, ‘Soft Exoskeleton Glove with Human Anatomical Architecture: Production of Dexterous Finger Movements and Skillful Piano Performance’, IEEE Trans. Haptics, vol. 13, no. 4, pp. 679–690, Oct. 2020, doi: 10.1109/TOH.2020.2993445.
[48] T. du Plessis, K. Djouani, and C. Oosthuizen, ‘A Review of Active Hand Exoskeletons for Rehabilitation and Assistance’, Robotics, vol. 10, no. 1, Art. no. 1, Mar. 2021, doi: 10.3390/robotics10010040.
[49] Q. Meng, S. Xiang, and H. Yu, ‘Soft Robotic Hand Exoskeleton Systems: Review and Challenges Surrounding the Technology’, presented at the 2017 2nd International Conference on Electrical, Automation and Mechanical Engineering (EAME 2017), Atlantis Press, Apr. 2017, pp. 186–190. doi: 10.2991/eame17.2017.45.
[50] J. Legrand, S. Terryn, E. Roels, and B. Vanderborght, ‘Reconfigurable, Multi-Material, Voxel-Based Soft Robots’, IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 8, no. 3, pp. 1255–1262, Mar. 2023, doi: 10.1109/LRA.2023.3236883.
[51] F. Faure et al., ‘SOFA: A Multi-Model Framework for Interactive Physical Simulation’, in Soft Tissue Biomechanical Modeling for Computer Assisted Surgery, Y. Payan, Ed., in Studies in Mechanobiology, Tissue Engineering and Biomaterials. Berlin, Heidelberg: Springer, 2012, pp. 283–321. doi: 10.1007/8415_2012_125.
[52] J. Allard et al., ‘SOFA - an Open Source Framework for Medical Simulation’.
[53] V. Vörös et al., ‘Comparison of 2D and autostereoscopic 3D visualization during mixed reality simulation’, Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg., Mar. 2023, doi: 10.1007/s11548-023-02876-4.
[54] M. Lerotic, S.-L. Lee, J. Keegan, and G.-Z. Yang, ‘Image constrained finite element modelling for real-time surgical simulation and guidance’, in 2009 IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro, Jun. 2009, pp. 1063–1066. doi: 10.1109/ISBI.2009.5193239.
[55] C. Duriez et al., ‘Framework for online simulation of soft robots with optimization-based inverse model’, in 2016 IEEE International Conference on Simulation, Modeling, and Programming for Autonomous Robots (SIMPAR), Dec. 2016, pp. 111–118. doi: 10.1109/SIMPAR.2016.7862384.
[56] K. Wu and G. Zheng, ‘Simulation and control co-design methodology for soft robotics’, in 2020 39th Chinese Control Conference (CCC), Jul. 2020, pp. 3910–3914. doi: 10.23919/CCC50068.2020.9189205.
[57] T. Morzadec, D. Marcha, and C. Duriez, ‘Toward Shape Optimization of Soft Robots’, in 2019 2nd IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), Apr. 2019, pp. 521–526. doi: 10.1109/ROBOSOFT.2019.8722822.
[58] P. Ferrentino, E. Roels, J. Brancart, S. Terryn, G. Van Assche, and B. Vanderborght, ‘Finite Element AnalysisBased Soft Robotic Modeling: Simulating a Soft Actuator in SOFA’, IEEE Robot. Autom. Mag., pp. 2–12, 2023, doi: 10.1109/MRA.2022.3220536.
[59] P. Ferrentino, S. K. Tabrizian, J. Brancart, G. V. Assche, B. Vanderborght, and S. Terryn, ‘FEA-Based Inverse Kinematic Control: Hyperelastic Material Characterization of Self-Healing Soft Robots’, IEEE Robot. Autom. Mag., vol. 29, no. 3, pp. 78–88, Sep. 2022, doi: 10.1109/MRA.2021.3132803.
[60] P. Ferrentino et al., ‘Quasi-Static FEA Model for a Multi-Material Soft Pneumatic Actuator in SOFA’, IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 7, no. 3, pp. 7391–7398, Jul. 2022, doi: 10.1109/LRA.2022.3183254.
