Kan de prachtige octopus helpen om rolstoelen overbodig te maken?

Aangedreven broeken, geëlektrificeerde maliënkolder en kunstmatige spieren geïnspireerd door octopussen staan ​​aan de vooravond van een mobiliteitsrevolutie.

We kunnen veel leren van de octopus. Wetenschappers die werkzaam zijn op het gebied van zachte robotica hebben slimme materialen, slimme huiden en kunstmatige spieren ontwikkeld die op nieuwe manieren bewegen en werken. En door octopussen beter te begrijpen, zouden ingenieurs de technologieën die beschikbaar zijn voor mensen met een handicap snel kunnen transformeren.

"Sommige van onze slimme huiden zijn gebaseerd op de huid van de octopus en de koppotigen", zegt ingenieur Jonathan Rossiter, hoofd van de Soft Robotics groep in Bristol Robotics Laboratory. Ze kunnen van kleur veranderen, van textuur veranderen en hun vormen radicaal veranderen. "
In hun huid zijn spieren ingebed - en die spieren trekken en samentrekken, en veranderen kleine zakjes kleur, en ze zetten zich uit en je krijgt een verandering in kleur. Bij gebruik door mensen kan een veranderlijke huid bijvoorbeeld de hoeveelheid warmte die je uitstraalt veranderen.


Een octopus heeft een gedecentraliseerd zenuwstelsel: hun hersenen zijn over hun hele lichaam verspreid. Ook daar haalt Rossiter inspiratie uit. "We kunnen nog een blad uit het boek van de natuur nemen en zeggen: 'De natuur doet dit allemaal heel vaak in de materialen'. Het integreert zijn controlemechanisme binnen de materialen. En nu gaan Rossiter en andere mensen die aan softrobot werken ambitieuzer denken: zou technologie geïnspireerd op octopus ooit de rolstoel kunnen vervangen?

"De octopus - het is die geweldige tentakels die kunnen bereiken en doen echt interessante dingen. Als het elk klein deel van de tentakel zou moeten controleren, met behulp van zenuwvezels uit de hersenen, dan zou het eerst een massief brein moeten hebben, en zijn zenuwen zouden massieve bundels moeten zijn. En dat doet het niet," zegt Rossiter.

Op die manier kan het de intelligentie naar elke tentakel overhevelen, zodat ze hun eigen agenda kunnen nastreven. "We kunnen hetzelfde doen met de materialen - we verankeren controle in de materialen", zegt hij. Omdat ze zacht zijn, zijn ze mobieler, wat betekent dat er meer over te controleren valt dan in een normale, lineaire, stijve robot.

Het idee is dat slimme materialen zelf kunnen voelen welke activiteit ze uitvoeren en zich daaraan kunnen aanpassen. Cruciaal is dat de regelkring gesloten is in de materialen zodat ze zichzelf richten, zoals het octopus tentakel. "Stel je voor dat je in je slimme broek de trap op loopt, de broek zelf zou detecteren dat je de trap op loopt en zou je extra kracht geven".

Door op een voorgeprogrammeerde manier op bepaalde omstandigheden te reageren, helpt de broek u bij uw dagelijkse activiteiten. Ze kunnen meerdere gedragingen hebben, afhankelijk van de omstandigheden - verschillende trillingen veroorzaken bijvoorbeeld stijfheid, of bepaalde soorten kracht kunnen ervoor zorgen dat het materiaal zich ontspant.

Rossiter en co zijn niet de enigen die de natuur hun koers laten bepalen. Teams van Harvard's Wyss Institute, die ook in zachte robots werken, hebben net de octobot ontworpen, 's werelds eerste volledig zachte robot, die halfsterke raketbrandstof in gas omzet nadat hij met platina in de tentakels van de robot heeft gereageerd om hem in beweging te brengen.

Decennialang, zegt Yashraj Narang, promovendus aan het Wyss Instituut in zachte robotica, hebben mensen robots gebouwd uit harde materialen, gebruik makend van mechanismen zoals revolute en prismatische gewrichten die heen en weer gaan en in- en uitglijden. De hardheid van dit soort robots is potentieel schadelijker, maar hun bewegingen zijn nauwkeuriger.

In plaats van elektromotoren of hydraulica kunnen softrobots worden aangedreven door gassen of vloeistoffen. "Het grote voordeel van een soft robot is dat hij zeer conform is, zich goed aanpast en veilig is voor mensen", zegt Narang. Dit zijn echt twee verschillende werelden die hij zegt, waarbij hij zich houdt aan onafhankelijke technische principes.

Dus hoe helpt dit mensen met een handicap eigenlijk? Net als het Bristol Robotics Lab heeft Narang nieuwe mogelijkheden uitgevonden, waardoor de praktische toepassing van dit werk nog in ontwikkeling is. Veel van dit werk heeft zich gericht op laminaire jamming, een poging om weg te komen van elektrificerende materialen om hen te voeden.

Laminair jams laat zich ook inspireren door octopussen en overbrugt de kloof tussen zachte en stijve robots. Squishy octopus tentakels vormen tijdelijke roterende gewrichten wanneer ze bijvoorbeeld een taak moeten uitvoeren zoals eten, het aanspannen van spieren om definitie te creëren. "Kunnen we een apparaat hebben dat schakelt tussen gewrichten hebben en helemaal geen gewrichten hebben?" vraagt Narang. Door het gebruik van een zacht, flexibel materiaal zoals rubber, dat zich kan buigen om vrijwel elk oppervlak aan te passen en het in een vacuümdichte zak te wikkelen, kan er op elk moment lucht worden weggezogen om de structuur stijf te maken.

Dit is een mechanisme voor 'actuatie' - een materiële handeling op een bepaalde manier maken om aan de behoeften van de gebruiker te voldoen. Deze vacuümverpakkende actie maakt het oppervlak veel stijver, zegt Narang. Dus als je 32 lagen van een bepaald materiaal hebt, wordt het - heel mooi - een factor 32 bij 32 stijver. Hoewel ze er nog niet zijn, kan iemand in theorie een exoskelet dragen - of bijvoorbeeld een broek met laminair jams - dat je met een druk op de knop stijf kunt maken voor ondersteuning.

De juiste broek

Veel van de materialen die worden ontworpen om mensen met een lichamelijke beperking, een handicap of de effecten van ouderdom te helpen, vereisen bediening die elektriciteit gebruikt, en worden niet aangedreven door druk, zoals in laminaire storing. Kunstmatige spieren of nieuwe materialen, bijvoorbeeld, kunnen vaak extra kracht leveren door er elektriciteit door te laten stromen.

De echte uitdaging met dit alles is dat een hoge mate van controle nodig is om het juiste niveau van hulp te bereiken. Hier zijn 'slimme' materialen die kunnen zien in welke situatie ze zich bevinden zo nuttig. Met laminaire jamming, legt Narang uit, door het hebben van verschillende zelfgesloten lagen, kunt u verschillende graden van stijfheid bereiken bij het aanbrengen van het vacuüm.

Deze hebben vele verbazingwekkende capaciteiten. Eén van Rossiter's kunstspieren, bijvoorbeeld, werkt als volgt: je neemt een dun vel rubber en brengt aan weerszijden een geleidende, rekbare laag aan die zich met het rubber buigt. De elektroden - de geleidende materialen - kunnen elektrische energie overbrengen en de kracht van de persoon verhogen. Beschouw ze als een bionische broek.

"Als je deze heuvel op wilt lopen, wat ouder wordt en een beetje kracht aan het verliezen bent, doe je je slimme broek aan" - wat, zegt Rossiter, ze 'de juiste broek' noemen, een knipoog naar het geëlektrificeerde paar van Wallace. "Dan zullen ze je helpen om op de top van een berg te staan, ze zullen je die boost geven," legt hij uit. En dan kom je aan de andere kant, op dat moment heb je geen hulp van de broek nodig, die je uitzet. "Maar de spieren bewegen nog steeds en omdat ze nog steeds bewegen als je de berg afdaalt, zullen ze elektriciteit opwekken. Op deze manier kunnen de spieren zichzelf weer opladen en mechanische energie weer omzetten in elektrische energie en omgekeerd."

Rossiter zegt dat de kans groot is dat we in de toekomst een broek kunnen hebben - onder andere een robot - die zichzelf aandringt door het consumeren van organische producten (zoals voedsel) en zelfs menselijk afval, waardoor incontinentiekussens een geheel nieuwe betekenis en capaciteit krijgen. Rossiter's lab heeft een ecobot ontworpen, die zich met brood voortstuwt en zijn eigen afval kwijt raakt. We zullen ook, zegt hij, eetbare robots kunnen hebben, gemaakt van dingen als gelei en biopolymeren die we op onze huid kunnen toepassen.

Het team heeft samengewerkt met overlevenden van een beroerte om hun zorgen over draagbare robotkleding vanaf het beginstadium in hun onderzoek in te bouwen. Opmerkelijk genoeg, die Rossiter en zijn team sprak met, drong erop aan dat het eindresultaat wasbaar. "We zeiden tegen de gebruikers: "Je weet wat, we kunnen onze technologieën zo schoon en zelfreinigend maken dat ze niet eens in de wasmachine hoeven te gaan". En al onze gebruikers zeiden: "O, nee nee, we willen ze in de wasmachine doen!

En de wens om deze technologieën als 'kleding' te voelen is de leidraad voor hun onderzoek - een ethos dat Rossiter belangrijk vindt voor het ontwerpen van items die niet alleen mensen helpen, maar ook tegemoetkomen aan hun hoop om niet te worden uitgekozen. Een soortgelijke filosofie heeft het werk van promovendus Mark Ransley geïnspireerd: zijn project over draagbare hulpmiddelen is uitgemond in een veel ouderwetser materiaal om slim te maken: maliënkolder.

Ondanks een algemene trend weg van kruisbogen, zegt Ransley, hielden hij en zijn team terugkomend aan bepantsering als bijzonder interessant textiel. Dit onderling verbonden materiaal kan stijfheid bieden aan bepaalde onderdelen terwijl het los zit aan andere, en kan bijvoorbeeld mensen met heupprothesen helpen voor wie een ideaal herstel plaatsvindt wanneer ze binnen bepaalde parameters kunnen bewegen terwijl ze nog steeds ondersteund worden. De maliënkolder kan worden afgedrukt met behulp van 3D laser sinterprinters die een nylon in poedervorm kunnen afdrukken door andere, geleidende materialen in de mix te mengen.

Rossiter zegt de natuurlijke uitbreiding van deze benadering aan kleding zou zijn om kleding van het zelfde materiaal te maken zoals onze huiden. Deze materialen zouden dunner, transparanter en flexibeler zijn - of ze nu op gel lijken of op gaas zijn gebaseerd - waardoor dragers zich er doorheen kunnen voelen. "Dit is een lange weg in de toekomst, zegt hij, maar op een gegeven moment zullen mensen in staat zijn om "te trekken of te spuiten op een tweede huid" om dezelfde effecten te bereiken.

Technologieën voor mensen die voor mobiliteitsuitdagingen staan, zijn de afgelopen eeuw nauwelijks verder geëvolueerd - de meeste rolstoelen zien er vandaag de dag net zo uit als honderd jaar geleden (denk aan Colin in The Secret Garden, opgericht in 1901). Rolstoelgebruikers krijgen routinematig te maken met blaren, schaafwonden en manco's, met 54,7 per centof bij ten minste één ongeval of letsel gedurende een jaar van gebruik, en veel rolstoelgebruikers hebben een rotatormanchetoperatie nodig in hun schouders, omdat ze zich niet met hun bovenarmen moeten voortbewegen.

Voor gebruikers zijn de zachte robotica die Ransley, Rossiter, Narang en hun teams bedenken een beetje uit de buurt. Rossiter wordt momenteel gefinancierd voor een EPSRC-project dat deze technologieën wil brengen naar de mensen die ze het hardst nodig hebben en hij verwacht dat er de komende vijf tot tien jaar een 'smart broek' in winkels en ziekenhuizen zal zijn. Schilderbare smart skins zijn iets verder weg - hij verwacht dat het tien tot twintig jaar zal duren voordat mensen er kracht van krijgen.

Bron: Wired