Microrobot hopt hoog op methaan

Techniek Onderzoekers zijn erin geslaagd een robotje te laten bewegen op brandstof. Handig, want grote batterijen zijn vaak te zwaar.

Met zijn vier actuatoren springt deze kleine robot over stenen.
Met zijn vier actuatoren springt deze kleine robot over stenen. Foto Cameron Aubin

Robotjes ter grootte van een insect komen op eigen kracht niet ver. Ze kunnen geen zware batterijen meetorsen, en dus zijn ze niet zo sterk en hebben ze weinig uithoudingsvermogen. Brandstoffen hebben een hogere energiedichtheid dan batterijen, maar het bleek tot nu toe lastig om hiermee een robotje snel en krachtig in beweging te krijgen.

Dat is onderzoekers van Cornell University in de Verenigde Staten nu wel gelukt, schreven ze vrijdag in Science. Ze maakten een microrobot die met 17 centimeter per seconde vooruit hopt, 20 keer zijn lengte omhoog springt en 22 keer zijn gewicht aan lading draagt. Helemaal autonoom is hij nog niet.

Microrobots, ter grootte van enkele millimeters tot hooguit enkele centimeters, zouden een rol kunnen spelen in precisielandbouw, omgevingsmonitoring of reddingsoperaties. Om echt nuttig te zijn moeten ze wel voldoende afstand kunnen afleggen (honderden meters) met genoeg snelheid (tientallen centimeters per seconde). Ook moeten ze zo goedkoop zijn dat ze met honderden tegelijk kunnen worden ingezet. Op al deze vlakken is nog verbetering nodig.

Potentie

Chemische brandstoffen hebben een veel hogere energiedichtheid dan batterijen; zo bevat methaan 55 megajoule per kilo en een lithium-ion microbatterij slechts 1 megajoule per kilo. De belangrijkste barrière om zulke brandstoffen in microrobots te gebruiken, is dat ze in de robot zelf omgezet moeten worden in een krachtige beweging. In een auto of grote robot is daar veel ruimte voor en kunnen sterke materialen gebruikt worden. In een microrobot niet.

Er zijn al wel enkele voorbeelden van brandstofaangedreven microrobots, maar de potentie van de brandstof komt daarin mechanisch niet goed tot uiting – ze hebben heel weinig kracht en kunnen niet gericht bewegen.

De onderzoekers van Cornell hebben zich daarom gericht op een sterke actuator – een onderdeel dat iets in beweging zet. De actuator bestaat uit een verbrandingskamer met bovenop een flexibel membraan. Via een buisje gaat de brandstof – een mengsel van methaan en zuurstof – naar de verbrandingskamer. Twee elektroden laten met een vonk het mengsel ontbranden en de warmte zorgt dat in de verbrandingskamer ontstane gassen uitzetten waardoor het membraan opbolt. Het gas ontsnapt vervolgens via een ventiel.

Veelbelovend

Een enkele actuator is nog geen robot, vier actuatoren aan elkaar wel. De onderzoekers lieten de vierpotige robot (29 millimeter lang en 1,6 gram) over oppervlakken en obstakels lopen en de lucht in springen. Door de actuatoren onafhankelijk van elkaar te laten bewegen kan de robot een bepaalde richting uit gestuurd worden. Hij hopt op die manier 17 centimeter per seconde. Komen alle vier de poten tegelijk in actie, dan springt de robot 59 centimeter hoog. Daarmee presteert deze robot honderd keer beter dan eerdere brandstofaangedreven robots.

„De actuatoren zijn veelbelovend, maar er zijn nog wel wat uitdagingen. Ze zijn nu nog verbonden met externe hardware”, zegt Ryan Truby, assistent professor in het Robotic Matter Lab van Northwestern University, Verenigde Staten, in een begeleidend commentaar in Science. De eerdere – langzamere – microrobotjes op brandstof waren wel autonoom.

„De brandstof wordt hier nog via een slangetje aangevoerd. Misschien is wel een reservoir aan boord te brengen, maar dat moet je voorzichtig doen, want de brandstof is bijvoorbeeld gevoelig voor temperatuurschommelingen in de omgeving. En er is uiteindelijk toch iets van een batterij nodig, voor de vonk die de brandstof laat ontbranden.