Zelf-vouwende robot die elke denkbare vorm kan aannemen

Door origami te combineren met elektrotechniek zijn onderzoekers van MIT en Harvard erin geslaagd om de ultieme robot te ontwikkelen die zich in werkelijk alles kan transformeren. De onderzoekers hebben algoritmes ontwikkeld die, wanneer er een drie-dimensionale vorm aan meegegeven wordt, de manier bepalen hoe deze vorm gereproduceerd kan worden door het plooien van een vel waarin een kenmerkend patroon van flexibele kreukels is aangebracht. Om hun theorie uit te testen hebben de onderzoekers een prototype gebouwd die in staat is om volledig automatisch de vorm van ofwel een papieren bootje of een papieren vliegtuigje aan te nemen wanneer het bepaalde elektrische signalen ontvangt. 'Programmeerbaar materiaal' is een onderwerp waar veel onderzoek naar gevoerd wordt. Het ultieme idee is om kleine uniforme robots te kunnen ontwikkelen die in staat zouden zijn om te transformeren in verschillende componenten van een grotere robot. Zodanig wanneer men dan al deze kleine robots samenbrengt en laat samenwerken verkrijgt men één grote robot. Deze kleine robots zijn dan eigenlijk een soort van intelligente Lego-blokjes.

Deze nieuwe robot is eigenlijk nog maar het allereerste stapje van dit onderzoek. Deze robot is momenteel enkel in staat om een bepaalde 3D vorm automatisch aan te nemen wanneer het hiervoor aangestuurd wordt. Het volgende deel van dit onderzoek - wat veel complexer is dan het eerste - is deze robot verder te gaan ontwikkelen zodat deze kan samen werken met andere, dergelijke robots zodat ze samen één veelzijdige robot worden. Dus deze robots moeten dan in staat zijn om de andere robots te vinden en samen de vorm aan te nemen die gewenst is. Maar dit is bijzonder moeilijk met de huidig bestaande hardware.

Om deze robot te kunnen maken was het nodig om eerst de wiskunde achter origami te gaan bestuderen en deze te gaan programmeren in de software van het prototype. De plaat is uitgerust met kleine robot-spieren. Deze spieren kunnen ervoor zorgen dat de plaat geplooid wordt volgens vooraf vastgelegde plooien die reeds aangebracht zijn in de plaat. Daarnaast zijn er ook magneten aangebracht op verschillende plaatsen op de plaat. Deze dienen als hulpmiddel om, eens wanneer de plaat geplooid is, de vorm te behouden en het openvouwen tegen te gaan.

Een aantal van de onderzoekers die meehelpen aan dit onderzoek hebben een jaar geleden een onderzoek uitgevoerd waarmee wiskundig aangetoond werd dat, wanneer je over een voldoende groot vel beschikt die een welbepaald patroon aan plooien bevat, het mogelijk is om bij benadering ongeveer elke drie dimensionale vorm te maken door enkel de plooien van het patroon te gebruiken tijdens het vouwen. Het patroon aan plooien verdeeld het vel in vierkanten met door elk vierkant is er ook nog een diagonale plooi, maar bij twee vierkanten die een zijde gemeenschappelijk hebben is de diagonale plooi het spiegelbeeld van die van het aanliggende vierkant. De algoritmes die ontwikkeld worden voor het programmeren van het prototype zijn dus gebaseerd op deze bevindingen en maken gebruikt van het patroon met de specifieke vouwen.

Er bestaat wel nog nergens een robot systeem die in staat is om alle vouwen volledig automatisch te laten uitvoeren zodat alle mogelijke vormen aangenomen kunnen worden. In principe zou een dergelijke origami robot, robot spieren moeten hebben aan hebben zijden van het vel, zodat het langs beide kanten geplooid kan worden. Maar een dergelijk systeem is veel te complex om te bouwen en daarom hebben ze een vereenvoudigde versie gebouwd waarmee hun theorie gedemonstreerd kan worden.

Er werden ook een aantal andere algoritmes opgesteld die de volgorde van de vouwen vastlegt en zo het minimum aantal vouwen nodig om de gewenste vorm te verkrijgen. De plaat zelf is gemaakt een versterkte glasvezelplaat en de vouwen van het patroon zijn gemaakt van een speciale elastische kunststof. De plooien verdelen de plaat in 16 evengrote vierkanten met een zijde van 1 cm en met telkens een diagonale plooi die het vierkanten in 2 driehoeken verdeeld. De robot-spieren zijn gemaakt van een 'geheugenmetaal'. Geheugenmetaal of Shape Memory Alloy (SMA) is de algemene naam voor legeringen met 'geheugeneigenschappen'. Deze eigenschap houdt in dat het materiaal, nadat het is vervormd, terug kan keren naar diens originele geometrie indien het verwarmd wordt. Hier wordt er een elektrische stroom door het materiaal gestuurd die, door de elektrische weerstand, dan gaat opwarmen. Op elke driehoek is er telkens een magneet bevestigd, deze worden aangetrokken door een andere magneet, eenmaal het gevouwen is.

Bij het prototype is het vel te kleine - of, afhankelijk van uw standpunt, zijn de driehoeken te groot - om er het te kunnen gebruiken voor een nuttig doel. Maar, in principe is het mogelijk om een evengroot vel te bouwen maar dan met kleinere driehoeken ofwel een groter vel met evengrote driehoeken. De ultieme doelstelling is om met programmeerbaar materiaal het mogelijk te maken om hardware te programmeren op dezelfde manier als dat software geprogrammeerd wordt. In dit geval moet je dan niet meer naar de winkel om een toestel te kopen maar kun je het simpelweg downloaden en 'installeren' op een dergelijk programmeerbaar materiaal.

via [web.mit]