Zachte robots die veiliger zijn en zich beter kunnen handhaven in een omgeving met mensen. Daar werkt het team van het HTSF programma Soft Robotics aan.
Het is een nieuw vakgebied waar veel expertises bij komen kijken. Samenwerken tussen de vier technische universiteiten is dan ook geen overbodige luxe. De 4TU.Federatie interviewde Aimée Sakes (TUD) en Ali Sadeghi (UT) over de ambities van het team.
Waarom is het 4TU.Soft Robotics programma opgericht?
Aimée: De conventionele, harde robot kan alleen werken in een voorgeprogrammeerde omgeving, waardoor repetitieve taken met bovenmenselijke snelheid en nauwkeurigheid kunnen worden uitgevoerd. Denk bijvoorbeeld aan robots die deuren in auto’s plaatsen op een transportlijn. Maar als die auto 10 cm verschuift, gaat het al mis en maakt de robot fouten. Ook houden deze robots geen rekening met mensen in hun omgeving en kunnen gevaren ontstaan wanneer een mens in het werkgebied van de robot komt. Om dit te voorkomen worden vaak grote kooien om deze robots gebouwd.
Een radicaal andere aanpak is nodig voor robots die delicate objecten, zoals fruit of menselijke weefsels, moeten kunnen vastpakken, of er direct interactie met mensen is. Het door 4TU gefinancierde onderzoeksprogramma Soft Robotics werkt aan een nieuwe generatie robots die veilig kunnen werken in dynamische omgevingen, zoals het menselijke lichaam, en veilig kunnen samenwerken met mensen. Denk aan een zorgrobot die veilig kan bewegen binnen een ziekenhuisomgeving of aan robots die aardbeien kunnen pakken zonder die te beschadigen.
Deze nieuwe generatie – veiligere, zachte - robots zijn hard nodig. Onze samenleving vergrijst waardoor er extra handen aan het bed, in ziekenhuis of thuis nodig zijn. Verder willen we door de ontwikkeling van deze nieuwe zachte robots, steeds meer ziektes behandelbaar maken.
Wat is het voordeel van soft?
Aimée: Met zachte, vaak flexibeler, materialen breng je minder schade toe aan het lichaam en kun je verder het lichaam in gaan. Wij gebruiken de natuur vaak als inspiratiebron voor onze ontwerpen. Zo zijn inktvissen met hun zachte zuignappen goed in het zachtjes vastgrijpen van natte, glibberige voorwerpen. Dat komt van pas voor chirurgische apparaten die delicaat weefsel van patiënten vast moeten grijpen. Ook bieden de tentakels van een octopus meer vrijheid van beweging dan de traditionele medische apparatuur.
Ik las op jullie site ook over het belang van integrated design? Wat wil dat zeggen?
Ali: Als je kijkt naar een menselijke arm, dan kan je redelijk makkelijk de verschillende elementen onderscheiden die zorgen voor de structurele ondersteuning (de botten), de aansturing (de spieren) en het controleren van de beweging (de zenuwen). Als je kijkt naar een tentakel van een octopus dan zie je een zeer complexe structuur waarin deze functies met elkaar geïntegreerd zijn. Zo zie je meerdere spierlagen die over elkaar heen liggen voor het bewegen van de tentakels, spieren voor het aansturen van de zuignappen, allerlei sensoren voor het waarnemen van de omgeving en zenuwen voor het aansturen van deze structuren. Al deze weefsels zijn met elkaar geïntegreerd en zorgen er samen voor dat de octopus zich kan bewegen en voorwerpen in zijn omgeving kan waarnemen en beïnvloeden. Wij willen een dergelijke structuur integreren in ons ontwerp voor zachte robots, waardoor de functionaliteit wordt vergroot. Samenwerking op het gebied van materialen, design en control zijn hiervoor cruciaal.
Wat zijn jullie ambities?
Ali: Soft Robotics is een relatief nieuw vakgebied. De eerste zachte actuatoren – oftewel motoren van robots- werden in de jaren 80-90 in Japan ontwikkeld. Het nieuwe concept zachte robots is er sinds de jaren 2000-2010. Landen als Italië, het Verenigd Koninkrijk en Japan zijn koploper op dit gebied. Onze ambitie is het even goed, of misschien nog wel iets beter te gaan doen. De kracht van een klein land als Nederland is dat er een hoge dichtheid aan expertise is, niet ver van elkaar, van de fabricage tot applicatiefase. Ik heb voor ik naar de Universiteit Twente kwam, ook een tijd in Italië gezeten en daar was die kennisuitwisseling veel lastiger met de afstand die je hebt tussen Noord en Zuid-Italië.
Zijn er nog meer dingen die jou als niet-Nederlander opvallen?
Ali: Ja de verbondenheid met de industrie en met de academische ziekenhuizen is hier heel goed. Daar draagt ook zeker het subsidiesysteem zoals we dat hier kennen aan bij. Een van de criteria van subsidiegevers als NWO of ZonMW is dat je een bedrijf bij jouw onderzoek betrekt. Daar is goed over nagedacht.
Waarom is samenwerken tussen de universiteiten nodig?
Ali: Het ontwerpen, vervaardigen, modelleren en besturen van soft robotics is complex. Voor al deze verschillende aspecten heb je een nauwe samenwerking tussen de verschillende expertises nodig.
Aimée (vult aan): Ja dat klopt! De onderzoekers in het HTSF Soft Robotics project hebben al die kennis in huis. De ene onderzoeker focust zich op hoe je tactiele feedback van de robot aan de gebruiker kan doorgeven en aanpassen (sensing) (Michaël Wiertlewski TUD), de ander op het besturen van de zachte robot (haptic interfaces) (Irene Kuling TU/e), de volgende (ik) concentreert zich op het ontwerp en toepassing van deze robot en, last but not least, wordt de natuur, waar de inspiratie voor de zachte robots vandaan komt, wetenschappelijk bestudeerd in Wageningen (Guillermo Amador WUR). Uiteindelijk komen al deze expertises samen en moeten die met elkaar samenwerken om één functionele, zachte robot te realiseren.
Ali: Daarnaast werken we vanuit Soft Robotics veel samen met artsen van de academische ziekenhuizen zoals het Radboud UMC en onderzoeksinstituten als AMOLF.
Waar werken jullie zelf momenteel aan?
Ali: ik werk met mijn team in het Soft Robotics Lab aan productiemethoden voor zachte materialen, zoals gespecialiseerde 3D-printers, en slimme zachte structuren voor op het lichaam. Denk aan zachte exoskeletons voor mensen die moeten revalideren van bijvoorbeeld een beroerte. De nieuwe exoskeletons zijn van textiel en rubber gemaakt en zorgen ervoor dat mensen beter kunnen lopen. Bijvoorbeeld als ze de trap op moeten, dan houdt het exoskeleton de voet beter op zijn plaats. Wat betreft de fabricage van deze exoskeletons gaan we een beetje terug in de tijd. Die gebeurt met een traditionele naaimachine. Wij werken ook aan een nieuwe generatie robots die kunnen groeien en hun eigen lichaam kunnen samenstellen. Deze robots die ''groeiend'' door de omgeving bewegen, vergelijkbaar aan hoe wortels van planten zich door aarde voortbewegen, zijn van grote waarde voor toepassingen in de minimale invasieve chirurgie en voor lichaamsmonitoring.
Aimée: Mijn team ontwikkelt slimme flexibele medische instrumenten die diep in het lichaam kunnen komen voor het uitvoeren van operaties in onder andere het hart of de hersenen. Zoals hierboven al gezegd, halen we voor de ontwikkeling van deze instrumenten vaak inspiratie uit de natuur. Denk bijvoorbeeld aan stuurbare katheters voor ingrepen in het hart geïnspireerd op de eerder genoemde octopus tentakels, hamer katheters voor het heropenen van kransslagaderen die zijn geïnspireerd op de kameleontong en een weefseltransporteur voor het verwijderen van tumoren uit het lichaam geïnspireerd op de angel van een wesp.…Voor het ontwerp van deze instrumenten gebruiken we slimme mechanische constructies om van harde materialen, zoals staal, flexibele structuren te maken en meerdere functionaliteiten in slechts een paar onderdelen te integreren waardoor we ultradunne instrumenten kunnen realiseren.
Waar zijn jullie trots op?
Aimée: Joshua Dijksman en Preeti Sharma uit ons team werken aan een prototype dat dichtbij valorisatie is. Het gaat om een nieuw soort klittenband geïnspireerd op de haartjes van een champignon. Dit materiaal hecht beter dan traditioneel klittenband en beschadigt de ondergrond niet.
Ali: Ook werken we met het hele team aan een Soft Robotics demonstrator waarmee we nieuwe functionaliteiten van een zachte robot willen testen en laten zien. Ik kan nog niet te veel over de resultaten vertellen, maar wil wel kwijt dat het samenwerken aan zo’n demonstrator voor de teamspirit fantastisch is. Word vervolgd!
Team 4TU Soft Robotics
Programmacoordinator: Herman van der Kooij (TU Delft/ University of Twente).
Neem hier contact op met het team.