Slimme materialen leren bewegen als mensen

De kunstmatige hand van vloeibare kristalpolymeren die Danqing Liu met haar team ontwikkelde om menselijke handelingen na te bootsen. Foto: Danqing Liu

Haar werk werd onlangs gepubliceerd in twee internationaal gerenommeerde wetenschappelijke tijdschriften, binnen slechts enkele dagen van elkaar. Een uitzonderlijke prestatie.

Danqing Liu is onderzoeker bij de faculteit Chemical Engineering & Chemistry. Zij ontwikkelt zachte materialen die zelfstandig kunnen bewegen. Liu’s onderzoek kreeg internationale erkenning dankzij publicaties in Science Advances en Matter & Light. De twee artikelen verschenen met slechts twee dagen ertussen. De kern van zowel het onderzoek als de publicaties is één centraal idee: materialen trainen om menselijk gedrag na te bootsen. “Mijn doel is om menselijke gevoelens toe te voegen aan de digitale wereld,” zegt Liu.

Eenvoudige taken leren
In het artikel in Science Advances beschrijven Liu, Pengrong Lyu en Sam Weima een zacht elektronisch materiaal dat kan leren en informatie kan onthouden. De onderzoekers ontwikkelden een kunstmatige hand van vloeibaar-kristalpolymeer met azobenzeen dat informatie op moleculair niveau kan opslaan. Licht kan daarbij informatie opslaan en wissen, terwijl elektrische signalen beweging activeren. De onderzoekers tonen aan dat het apparaat een eenvoudige taak kan leren en die kennis vervolgens kan gebruiken om een kunstmatige hand menselijke gebaren te laten nadoen.

Hoewel de technologie overeenkomsten vertoont met robotica, maken deze slimme materialen bewegingen mogelijk die dichter bij de natuurlijke menselijke motoriek liggen. Het werk van Liu en haar team bevindt zich op het snijvlak van elektrotechniek, werktuigbouwkunde, informatica, scheikunde en design. Zij ontwikkelt nieuwe manieren om technologie en menselijke beweging dichter bij elkaar te brengen.

Gecoördineerde beweging
In beide publicaties, verschenen op 7 en 8 juli, leggen Liu en haar onderzoeksteam – Duygu Polat en Mert Astam – uit hoe zij erin slaagden vloeibaar-kristalpolymeren (LCP’s) met licht aan te sturen en de bewegingen van afzonderlijke polymeren te synchroniseren. Een polymeer is een molecuul dat bestaat uit herhalende bouwstenen die chemisch met elkaar zijn verbonden.

Liu licht toe: “De verschillende LCP’s werken effectief samen omdat zij via flexibele verbindingen bewegingen en krachten aan elkaar doorgeven. Wanneer één component beweegt, geeft die beweging door aan het volgende component. Zo ontstaat een gecoördineerde beweging zonder kabels of een centraal besturingssysteem. De gezamenlijke beweging ontstaat doordat de materialen rechtstreeks op elkaar reageren.”

Ze vervolgt: “Dit ontwerpprincipe kan bijdragen aan de ontwikkeling van autonome zachte robots en materialen die zichzelf kunnen coördineren.”

Voelen wat je ziet
Liu ziet toepassingen voor zich die de virtuele en fysieke wereld dichter bij elkaar brengen: “Stel je voor dat je via een apparaat daadwerkelijk kunt voelen wat je ziet in virtual of augmented reality. Ik denk dat dit kan helpen bij het aanpakken van bepaalde mentale gezondheidsproblemen.”

Hoewel deze naadloze interactie tussen virtuele en fysieke omgevingen nog toekomstmuziek is, draagt Liu nu al bij aan praktische toepassingen. Een voorbeeld is een interactief stuurwiel dat tijdens het rijden tactiele feedback geeft, waardoor bestuurders intuïtiever kunnen navigeren. Om deze technologie verder te ontwikkelen reist zij binnenkort naar Japan voor een samenwerking met de Waseda University aan het automotive-hapticsproject. Dit partnerschap maakt deel uit van de NWO Vici-beurs die zij in februari ontving.

Het realiseren van dergelijke innovaties vereist de integratie van expertise uit verschillende wetenschappelijke disciplines, een proces dat zowel essentieel als uitdagend is. Toch laat Liu zich niet afschrikken door het multidisciplinaire karakter van haar werk. “Dat is mijn tweede natuur.”

Erkenning
Liu beschouwt de twee publicaties als “een bevestiging dat we als onderzoeksteam op de goede weg zijn.” Daarnaast hoopt zij dat de artikelen bredere belangstelling vanuit de wetenschappelijke gemeenschap zullen wekken.

Die zichtbaarheid zal helpen bij de volgende stap: het vertalen van fundamenteel onderzoek naar toepassingen in de praktijk. “Wat dit onderzoek uniek maakt, is dat we wetenschappelijke resultaten omzetten in concrete toepassingen waarbij digitale systemen tactiele feedback kunnen geven.”