‘Worden robots binnenkort onverwoestbaar?’

Professor Bram Vanderborght legt voor de Universiteit van Vlaanderen uit hoe robots in de toekomst zichzelf zullen kunnen herstellen en hoe de productie ervan duurzamer kan worden.

Regelmatig krijg ik de vraag of robots de wereld gaan overheersen. Waarschijnlijk zullen ze in de toekomst even alomtegenwoordig zijn als computers nu, en dit in een heel breed spectrum van toepassingen. Maar dat robots ons doelbewust gaan overheersen, daar geloof ik niet in. Integendeel, het multidisciplinaire VUB-onderzoeksconsortium Brubotics heeft als visie dat de complementaire sterktes van mens (die flexibel, creatief en handig is) en machine (die nooit moe wordt en geen problemen heeft met heel repititief werk), gecombineerd moeten worden, en met elkaar moeten samenwerken en elkaar versterken.

Denk maar aan zorgrobots die verpleegkundigen moeten helpen om de verouderende bevolking te helpen verzorgen, ‘cobots’ (of collaboratieve robots) en ‘exoskeletons’ (draagbare robotpakken) die arbeiders in fabrieken gaan bijstaan om gezonder en beter te kunnen werken.

In een dergelijke nauwe samenwerking tussen mens en machine is veiligheid de absolute prioriteit. Daarom hebben deze nieuwe generatie robots soepele gewrichten, geinspireerd op het elastisch gedrag van spieren om zachthandig met mensen om te springen. Wij mensen hebben in ons lichaam ook heel wat zachte weefsels, en ook robots worden ermee uitgerust. In het nieuw onderzoeksdomein ‘soft robots’ worden zelfs volledige robots gemaakt uit soepele materialen, geïnspireerd door bijvoorbeelde octopussen. Zo is onze knuffelrobot Probo gemaakt van soepele materialen. We willen immers dat die robot heel zacht en knuffelbaar is voor kinderen. Ook de Festo bionische robotarm, die geinspireerd is op de slurf van een olifant, is zacht om heel veilig met mensen te kunnen werken. Dit soort robots kan ook heel klein gemaakt worden, om veilig in ons lichaam operaties uit te voeren.

Het grootste nadeel van dergelijke materialen is dat ze kwetsbaar zijn: ze kunnen bijvoorbeeld door scherpe voorwerpen beschadigd worden. Mens en dier hebben daar iets fantastisch op gevonden: wij zijn namelijk in staat om ons eigen lichaam te herstellen, en wonden en breuken zelf te genezen.

En dat is natuurlijk heel interessant: beeld je in dat die robots zich ook zouden kunnen herstellen.

Nu zijn helfherstellende materialen geen science fiction meer. Ze zijn natuurlijk nog vooral in de onderzoekslabs te vinden, maar er zijn ook al een aantal commerciele toepassingen. Zo zijn er screen protectors voor smartphones. Als er dan krassen opkomen, zie je hoe die meteen hersteld worden. Een groot verschil met nu, waarbij je je smartphone laat vallen en een scherm vol barsten nauwelijks te herstellen is. Momenteel wordt ook onderzocht of ook dat probleem opgelost kan worden. Momenteel zijn er al voertuigen in ontwikkeling, met een coating of verf, die zichzelf hersteld als er krassen op komen. Er wordt ook gewerkt aan wegen waar in het asfalt een soort capsules verwerkt zitten die een chemische stof loslaten op het moment dat er een breuk in het asfalt komt. De chemische stoffen zullen dan de barst in het wegdek terug gaan dichten.

De toepassingen van deze materialen zijn veelbelovend, maar nog niet inzetbaar voor robotica. Met het oog op dat soort toepassingen, wordt nu wel al gegeken naar polymeren of plastieken. Een polymeer is een lineaire macromolecule, waar al de moleculen achter elkaar zitten, als een spagettislier.

Om de polymeer speciale eigenschappen te geven, worden er tussen de polymeerketens permanente crosslinks aangebracht zodat er een netwerkpolymeer bekomen wordt.

Het nadeel is dat we hierdoor de polymeren niet meer kunnen smelten door ze op te warmen. En als ze stukgaat, kan ze enkel met lijm terug aan elkaar geplakt worden.

Wat de materiaalkundigen van de VUB daarom doen onder leiding van Professor Van Assche, is in de netwerkpolymeren crosslinks aanbrengen met bindingen die reversibel of omkeerbaar zijn, de zogenaamde ‘diels-alder verbindingen’.

Als we dat materiaal snijden dan gaan we het materiaal breken op die zwakkere reversibele bindingen. Gaan we die twee oppervlakken nu terug aan elkaar zetten, dan kunnen die bindingen terug in elkaar klikken. Het materiaal herstelt zich op die manier. Om volledig te herstellen moeten we het materiaal opwarmen om de mobiliteit van de polymeren te vergroten zodat ze de snede kunnen overbruggen. Belangrijk om te begrijpen is dat we het materiaal niet hersmelten, want dat gaat niet met een netwerkpolymeer. Bovendien zou het robotonderdeel dan ook als een pudding in elkaar zakken.

Met dit zelfherstellend materiaal hebben we verschillende robot-onderdelen geproduceerd in het Europese ERC-project. Zo hebben we bijvoorbeeld een ‘pneumatische spier’ gemaakt. Een pneumatische spier is een soort blaasbalg: als je daar druk onder plaatst, gaat die spier samentrekken en grote krachten uitoefenen. Dat is goed te vergelijken met de menselijke spieren. Als we daar nu een mes in steken, dan kan de ‘spier’ zichzelf kunnen herstellen. Dat duurt enkele uren, maar onze wondjes zijn ook niet meteen genezen.

Verder hebben we ook robothanden en grijpers gemaakt. Nadeel van de metalen handen is dat fragiele voorwerpen oppakken, zoals fruit en groenten, niet evident is. Bovendien hebben groenten ook steeds andere vormen. Het voordeel van de soepele handen en grijpers is dat ze zich automatisch aanpassen aan die verschillende groottes en vormen. Ook onze handen zijn soepel en passen zich automatisch aan.

Deze robotonderdelen kunnen we ook met een mes kapot maken of door teveel druk het materiaal doen bartsen, maar door de zelfherstellende eigenschap kan dat weer hersteld worden. In tegenstelling tot het menselijk lichaam kunnen we geen materiaal laten bijgroeien. Wordt er bij onze robothand materiaal weggesneden, dan is die niet meer te herstellen. Voordeel van het materiaal is wel dat we het volledig kunnen recylceren.

Door miljoenen jaren evolutie is ons lichaam geëvolueerd tot een indrukwekkende machine, waar wij als robotbouwers enkel van kunnen dromen, en veel inspiratie op te doen om betere robots te bouwen. In een multidisciplinair team van robotici en materiaalkundigen werken we op de VUB er hard aan dat robots zichzelf kunnen herstellen.

Dit zal toelaten dat onze robots lichter zullen zijn, want we gaan ze immers niet moeten ontwerpen om uitzonderlijke krachten aan te kunnen. Komt er toch uitzonderlijk een te hoge belasting, dan zullen onderdelen breken, maar ze kunnen zich erna ook herstellen. Het zal ons toelaten ook meer duurzamere robots te ontwerpen, want een kapotte robot is vaak te duur om weg te gooien en te complex om door mensen te laten herstellen.