Een flexibele lens, die is geïnspireerd op het menselijke oog, kan bruikbaar zijn in zachte robots.

Om lenzen in apparaten automatisch scherp te stellen, gebruikt men meestal elektromotortjes. Dat dit ook anders kan, blijkt uit onze eigen ogen: bij mensen is rond een oogbol natuurlijk geen elektromotor aanwezig. Wij zien scherp doordat kleine spiertjes de ooglens kunnen vervormen. Het ene moment zien we scherp van dichtbij, het andere moment stelt het oog scherp op een beeld veraf. De ooglens is flexibel genoeg om zowel licht van een bron dichtbij als licht van veraf te kunnen focusseren op het netvlies.

Gel op waterbasis

Dit inspireerde ingenieurs aan het Georgia Institute of Technology, een technische universiteit in de Verenigde Staten, tot het ontwerpen van een kunstmatige lens die op een soortgelijke manier scherpstelt. Hun lenssysteem, waarover ze deze week schrijven in vakblad Science Robotics ($), bestaat uit een stevige gel op waterbasis. Vervormen van dit lenssysteem gebeurt wanneer er licht op de lens valt.

Werking

Het systeem bestaat uit twee delen. De lens zelf, in het hart van het systeem, is gemaakt van PDMS (polydimethylsiloxaan), een veelgebruikt zacht en transparant polymeer. Daaromheen zit een ring van een ander polymeer (PNIPAM) waar deeltjes van aangepast grafeenoxide doorheen zijn gemengd. Als deze deeltjes licht opvangen, warmt het materiaal op. Die warmte zet het PNIPAM dan weer aan tot een faseovergang, waardoor het samentrekt. De krachten trekken in radiale richting (van het centrum naar buiten) aan de lens in het midden. Die wordt dus platter en de brandpuntsafstand langer.

Door een lichtbundel gericht op maar een deel van de lens te laten vallen, is de vorm van de lens nog preciezer te sturen, schrijven de onderzoekers in een nieuwsbericht op The Conversation. 

Toepassing

Doordat de nieuwe kunstlens geen mechanische aandrijving bevat, lijkt hij geschikt voor toepassing in zachte robots. Die moeten liefst zo weinig mogelijk onderdelen bevatten, want hoe meer onderdelen, hoe meer er ook kapot kan gaan. Bijkomend voordeel van de nieuwe lens: hij is lichtgewicht en gebruikt geen elektriciteit, in tegenstelling tot de elektromotoren die doorgaans worden gebruikt om met een lens te schuiven totdat het beeld op een beeldchip scherp is.

Zo buigzaam is het lens-systeem. Ook is hier goed te zien dat in het hart de lens zelf zit, met daaromheen een brede ring van hydrogel-materiaal.

Zachte robots

Voor de toepassingen van de nieuwe, zachte lens kunnen we niet alleen denken aan soft robotics (het onderzoeksveld dat zachte robots ontwikkelt), maar ook aan medische instrumenten, zoals endoscopen waarmee artsen in het lichaam van een patiënt kijken. Voor dat soort tools kijken onderzoekers steeds vaker naar zachte materialen, simpelweg omdat die prettiger aanvoelen voor de patiënt.

Nieuwste materialen gebruiken

Klaar zijn de onderzoekers allerminst met dit onderwerp, schrijven ze in hun artikel op The Conversation. ‘Recent onderzoek heeft verschillende hydrogels opgeleverd die reageren op externe prikkels. Ze reageren sneller dan ons materiaal en de samentrekking is krachtiger. We zijn van plan om deze nieuwste materialen in onze lens te gebruiken zodat die nog beter en bruikbaarder wordt.’ Verder willen de onderzoekers van Georgia Tech hun lenssysteem voor het eerst gaan inbouwen in een zachte robot, die dan ‘zichtvermogen krijgt zonder dat daarvoor elektronica nodig is.’

 

Openingsbeeld: Close-up van de flexibele lens. Foto’s: Corey Zheng / Georgia Institute of Technology