De zachte kracht van soft robotics

Zachte robotica is een relatief nieuw maar dynamisch en multidisciplinair onderzoeksgebied dat de voordelen van zachte en flexibele materialen en structuren onderzoekt. Veel zachte-robotica-onderzoek is gebaseerd op biomimicry, oftewel het creëren van innovatieve oplossingen geïnspireerd op de natuur.

“Zachtheid en flexibiliteit zijn alom aanwezig in de natuur en spelen een essentiële rol bij allerlei belangrijke functies”, vertelt Van Laake. “Denk aan een vissenstaart die efficiënter is omdat hij flexibel is, een octopus die door een heel klein gaatje kan kruipen omdat zijn lichaam kan vervormen, of de olifantenslurf die allerlei objecten kan vastgrijpen.”

Embodied intelligence en autonomie

Zachte-robotica-onderzoekers bestuderen deze voordelen van zachte structuren – zoals weerbaarheid, efficiëntie of veelzijdigheid – en kijken hoe de onderliggende principes toegepast kunnen worden in onze apparaten. Zo is er binnen zachte robotica veel gewerkt aan zachte grijpers die zich automatisch aanpassen aan de vorm van datgene dat ze vastgrijpen, net als de menselijke hand of de olifantenslurf.

“Met een zachte grijper kun je van alles vastpakken, zonder dat je daar telkens een nieuwe gripper voor hoeft te ontwerpen”, legt hij uit. “Maar ook de aansturing wordt makkelijker. Je zegt gewoon ‘grijp’, in plaats van dat je de beweging in detail moet controleren.”

Deze slimheid die in de mechanica zelf zit, zonder gebruik van elektronica of software, is een eenvoudig voorbeeld van embodied intelligence. Van Laake: “Doordat in de robot zachte delen zitten, krijg je een systeem dat zich automatisch aanpast aan zijn omgeving.”

Zo werkt dat bij de gripper, maar op een meer geavanceerd niveau ligt dit principe ook ten grondslag aan zijn promotieonderzoek. Daarmee laat hij zien dat een zacht kunsthart zijn hartslag automatisch aan kan passen aan de bloeddruk van de patiënt, zonder gebruik van elektronica in het hart én zonder stuursignalen van buitenaf. “Als je goed nadenkt over de combinatie van aansturing, mechanica, én de omgeving kun je zachte robots maken die autonoom werken”, stelt hij.

Het ideale kunsthart

Zijn proefschrift maakt deel uit van het door de EU gefinancierde project ‘Hybrid Heart’, waarin een consortium van partners bezig is met het ontwikkelen van een kunsthart, ook wel total artificial heart (TAH) genoemd, op basis van zachte-robotica-technologie.

In het consortium zijn drie dingen samengebracht: in situ tissue engineering (waarbij je een stof het lichaam in brengt die in het lichaam wordt afgebroken en ter plaatse wordt vervangen door lichaamseigen cellen), zachte robotica voor de mechanische structuur en de aansturing, en een technologie om de energie draadloos het lichaam in te sturen – een beetje zoals bij een draadloze telefoonoplader – waardoor de huid van de patiënt intact kan blijven.

“Als het lukt om deze drie dingen bij elkaar te brengen, heb je het ideale kunsthart”, aldus de promovendus, die zelf een bijdrage heeft geleverd op het gebied van de aansturing.

“Er bestaan op dit moment twee TAH’s voor patiënten met ernstig hartfalen, maar ze hebben beide grote beperkingen”, vertelt hij verder. “Ze zijn gemaakt van stugge materialen, dus het bloed stroomt anders dan in het menselijk hart waar alles continu in beweging is, waardoor je bloedstolsels kunt krijgen. Daar moet je medicijnen tegen nemen die weer bijwerkingen hebben, dus het is niet ideaal.”

“Bovendien worden de bestaande TAH’s op dit moment enkel als een tijdelijke oplossing gebruikt bij patiënten die op een donorhart wachten; het is om meerdere redenen geen geschikte lange-termijnoplossing”, vervolgt hij.

“Zo loopt er een slang door een gat in de borstkas van de patiënt. Deze verbindt het kunsthart met een apparaat dat zich buiten het lichaam van de patiënt bevindt. Omdat de slang door de huid heen gaat heb je kans op infecties, en je mag het apparaat nooit loskoppelen, waardoor de patiënt behoorlijk beperkt wordt in zijn bewegingsvrijheid.” 

Een zacht alternatief

Door de toepassing van zachte robotica wordt het bloed natuurlijker rondgepompt. In combinatie met in situ tissue engineering zorgt dat ervoor dat je geen medicatie nodig hebt. Ook past een zacht hart makkelijker in ieder lichaam, omdat het lichter, kleiner en vervormbaar is.

“Een bijkomend voordeel is dat je bij een zacht hart ook hartmassage kunt uitvoeren, terwijl bij de huidige kunstharten een eerstehulpverlener echt niets kan doen als er iets mis gaat.”, voegt hij eraan toe.

“Het is wel nog een uitdaging om een kunsthart te ontwerpen dat jaren meegaat. Wat daarbij helpt is als je het aantal onderdelen drastisch kunt verminderen. Dit doen we door elektrisch bestuurde kleppen en andere elektronica zoveel mogelijk te vervangen door zachte, mechanische onderdelen.”

Ketchupfles

In plaats van een elektronische besturing ontwikkelde Van Laake een zogenaamde hysteretische klep die een hartslag kan opwekken. Het principe is verrassend simpel en goed intuïtief te begrijpen. De klep is namelijk niets anders dan het kleine rubberen membraan zoals we dat allemaal kennen van het dopje van een ketchupfles. “Mijn promotor deed zijn promotieonderzoek in de VS en toen hij eens in een diner zat, raakte hij geboeid door het gedrag van het ketchupflesdopje. Daarna ging ik er verder mee aan de slag”, vertelt hij.

Het idee is dat een continue luchtstroom onder bepaalde omstandigheden resulteert in een cyclische puls. “Als je een ketchupfles steeds meer indrukt, gebeurt er lang niets, totdat er ineens ketchup naar buiten spuit, waarna het proces zich herhaalt”, legt Van Laake uit.

Hetzelfde mechanisme wordt met de hysteretische klep toegepast in het zachte kunsthart. “Je blaast een constante stroom lucht rond in het systeem, waardoor de druk zich voor de klep begint op te bouwen. Wanneer er zich voldoende druk heeft opgebouwd, stroomt de samengeperste lucht plotseling door de klep de kunstmatige spieren van het zachte kunsthart in, waardoor het hart samentrekt”, legt hij uit.

Daarna krijg je een soort van reset en hetzelfde herhaalt zich weer. Het resultaat is een periodieke afwisseling van samentrekken en ontspannen, maar dan puur op basis van mechanica, zonder elektronische aansturing van buitenaf.

Bredere toepassing

Van Laake paste de hysteretische klep die hij ontwikkelde ook toe op robots met meerdere kunstmatige spieren, die in een bepaalde volgorde moeten samentrekken om goed te werken. Hij maakte onder andere een robothand die met zijn vingers kan trommelen en een lopend minirobotje waarvan de vier poten om en om een stap zetten.

Door de manier waarop de aansturing werkt, en doordat de poten zacht zijn, kan zo’n looprobot zijn omgeving voelen en kan hij bijvoorbeeld omdraaien als hij de muur aanraakt. Zo heeft dit opvallend eenvoudige systeem veel verschillende toepassingen.

Er zijn experimenten uitgevoerd waaruit blijkt dat het mechanisme werkt en dat het kunsthart op deze manier, zonder gebruik van elektronica, bloed pompt. Maar voordat het bij de eerste patiënten geïmplanteerd kan worden, moet er nog een oplossing komen voor een aantal zaken, zoals het ontwerpen van een pomp die veilig kan worden geïmplanteerd.

Daarom is aan het veelbelovende project inmiddels een vervolgsubsidie toegekend en zal een nieuw consortium, bestaande deels uit huidige en deels uit nieuwe partners, het zachte kunsthart verder doorontwikkelen. Van Laake weet nog niet zeker of hij onderdeel gaat uitmaken van het nieuwe consortium, maar hij zal in ieder geval betrokken blijven en draagt het project een warm hart (no pun intended) toe.|

Luuk van Laake, A heartbeat for soft robots, begeleiders: Bas Overvelde, Carlijn Bouten.

Bron: Cursor