Ingenieurs van de Universität des Saarlandes hebben met de natuur als voorbeeld een kunstmatige hand uitgerust met spieren van vormgeheugen draad. De nieuwe techniek maakt flexibele en lichtere robot handen voor de industrie net zo goed mogelijk als een nieuw soort prothese. De spierstrengen bestaan uit bundels van zeer fijn nikkel-titaan-draad, die kunnen aanspannen en ontspannen. Het materiaal zelf heeft sensoreigenschappen, zodat de kunsthand zeer nauwkeurige bewegingen kan uitvoeren.
De hand is het perfecte werktuig. Na miljoenen jaren is het ontwerp volwassen geworden. De hand is buitengewoon beweeglijk en kan zich goed aanpassen. Het samenspel van spieren, banden, pezen, botten en zenuwen is perfect, waardoor het al langere tijd de wens is om een flexibel werktuig te creëren naar het voorbeeld van de hand.
Het onderzoeksteam van prof. Stefan Seelecke aan de Saar-Universität en aan het Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) heeft hiervoor een nieuw proces opgezet, dat berust op de werking van vormgeheugen in de legering nikkel-titaan. De ingenieurs geven de handspieren haarfijne draden, die kunnen aanspannen en ontspannen. De onderzoeksgroep toont met een prototype de functies van vormgeheugenspieren in hal 2 op de Hannover Messe van 13 tot 17 april. Ook zoekt men partners voor verdere ontwikkelingen.
Kunsthand met vormgeheugendraad
“De vorm geheugendraden hebben belangrijke voordelen ten opzichte van andere processen”, zegt Stefan Seelecke. Kunsthanden, die in productiestraten worden gebruikt, bevatten veel techniek op de achtergrond: ze zijn afhankelijk van andere gereedschappen zoals elektromotoren of perslucht, zijn zwaar, niet erg flexibel, soms luidruchtig en vooral ook duur.
“Werktuigen met kunstmatige spieren van vormgeheugen draad hebben geen andere apparaten nodig, wat ze licht, flexibel en gemakkelijk aan te passen maakt. Ze werken geruisloos en zijn in vergelijking goedkoop te produceren. Deze draden hebben de hoogste energiedichtheid van alle bekende aandrijfmechanismen. Ze kunnen dus in een kleine ruimte krachtige bewegingen uitvoeren”, verklaart Seelecke.
Vormgeheugen betekent hierbij, dat de draad zich zijn vorm herinnert en deze toestand weer aanneemt nadat hij vervormd werd. “Deze eigenschap van de nikkel-titaan-legering berust op fase veranderingen. Als de draad warm wordt, bijvoorbeeld omdat er een stroom door gaat, dan vervormd de roosterstructuur en trekt hij zich samen als een spier”, verduidelijkt Seelecke.
De ingenieurs vervangen in hun kunsthand de spieren door intelligente draden. Meerdere draadstrengen zijn verbonden met de vingers zorgen aan de voorkant van de vinger voor de buigspieren en aan de achterkant voor de strekspieren. Om snelle bewegingen mogelijk te maken hebben de onderzoekers de opbouw van de menselijke spier als voorbeeld genomen en meerdere haarfijne draden gebundeld als spiervezels. De draadbundel is zo fijn als een draadje, maar zijn trekkracht is even groot als bij een dikke draad.
Overeenkomst menselijke spier
Ingenieur Filomena Simone, die werkt aan het prototype van de kunsthand, geeft de verklaring voor het snel korter en langer worden en de hoge trekkracht: “De oorzaak ligt bij de snelle afkoeling. Meer draden hebben een grotere oppervlakte en geven dus sneller meer warmte af. De draadbundel bereikt, anders dan een dikke draad, snelle contracties die overeenkomen met die van de menselijke spier. Op deze manier wordt een snelle en vloeiende beweging van de vinger mogelijk”, verduidelijkt ze.
De kunsthand reageert met gevoel, als iemand ingrijpt in het bewegingsverloop. Mensen zouden daarom hiermee letterlijk hand in hand (hand in kunsthand, zo u wilt) kunnen samenwerken. Met behulp van de aansturing, in een halfgeleider chip zit al het noodzakelijke, kunnen in dit samenspel meerdere draden nauwkeurige bewegingen uitvoeren. Het systeem heeft daarbij helemaal geen sensoren nodig.
“Het materiaal van de draden zelf heeft sensoreigenschappen. De besturingseenheid herkent aan de hand van meetdata van de elektrische weerstand op elk moment de juiste positie van de draden”, aldus Seelecke. Dit maakt het mogelijk om hand en vinger tot in de puntjes nauwkeurig te bewegen.
Op de Hannover Messe tonen de onderzoekers hun prototypen en demonstreren de potentie van de technologie met bewegingspatroon voorbeelden van aparte vinger- en grijpbewegingen. De onderzoekers maken modellen van bewegingspatronen en gebruiken de sensoreigenschappen van de draad.
