Deze microrobot voor onder water kan zich snel voortbewegen en ineens van richting veranderen. Dat dankt hij aan zijn vleugels, die zijn geïnspireerd op waterdieren.

 

Het robotje is bedacht en ontwikkeld door onderzoekers en ingenieurs van Zhejiang University in het Chinese Hangzhou. Ze publiceerden er deze week over in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances. 

Hoewel dit nog wetenschappelijk onderzoek is, zijn voor de robot verschillende toepassingen denkbaar, zoals onderwaterarcheologie of het bestuderen van koraalriffen. En misschien worden in de toekomst wel kwetsbare onderzeese kabels bewaakt door een vloot van dit soort drijvende robotjes.

‘Doordat ze klein zijn en weinig kosten, zijn minirobots erg geschikt voor gebruik in ruimten die lastig of helemaal niet toegankelijk zijn voor mensen’, mailt Haofei Zhou, associate professor aan de faculteit Engineering Mechanics van Zhejiang University, op vragen van De Ingenieur. ‘Denk aan pijpleidingen onder hoge druk die onder de zeespiegel liggen, of aan afgesloten ruimten in gezonken schepen.’

Nauwe doorgangen

Met het ontwerp willen de onderzoekers inspelen op de behoefte aan zeer wendbare robots voor onder water. Vooral het verkennen van omgevingen onder water met nauwe doorgangen brengt bestaande robots al snel in de problemen. Zij kunnen maar matig schakelen tussen verschillende manieren van voortbewegen.

Vleugels voor de voortstuwing

Dat hebben de Chinese onderzoekers opgelost door hun robotplatform, dat ze RoboPteropod noemen, vleugels te geven voor de voortstuwing. Dit ontwerp is geïnspireerd op pteropoda, onderwaterdieren die behoren tot de orde van slakken. Deze dieren bewegen zich onder water voort met vleugels die verschillende richtingen op kunnen draaien. Dat geeft ze de flexibiliteit om razendsnel over te gaan van bijvoorbeeld een horizontale beweging naar een verticale, door de invalshoek (angle of attack) van de vleugels te veranderen. Daarnaast leveren de vleugels een lager energieverbruik op vergeleken met aandrijving door een propeller.

‘Met ons onderzoek willen we altijd inspiratie halen uit de natuur. Bij het ontwerpen van robots laten we ons graag leiden door de intelligente evolutie van biologische systemen’, zegt Zhou. 

3D-printer

Het principe van de pteropoda hebben de Chinezen nagebouwd met hun RoboPteropod. Dat is een robot van 7,5 centimeter lang, 4 centimeter breed en 4,5 centimeter hoog; zie de afbeelding boven dit artikel. Het ding weegt 34 gram. Aan het frame, dat is gemaakt op de 3D-printer, zit aan beide zijden van de robot een voortstuwingsmodule. Die bestaat uit twee vleugels die in beweging kunnen worden gebracht door piëzo-elektrische actuatoren. De onderzoekers hebben hiervoor gekozen (en niet voor elektromotoren) omdat ‘piëzo’s’ erg licht zijn, zeer betrouwbaar en ook nog eens razendsnel kunnen worden aangestuurd.

Het goed werkend krijgen van de piëzo‘s vormde nog wel een technische uitdaging, zegt Zhou. ‘Anders dan conventionele laagspanningscircuits vereisen onze piëzo-elektrische actuatoren dat de spanning wordt opgevoerd naar ongeveer 250 volt. Onvoldoende isolatie zou kunnen leiden tot spanningsdalingen in de actuator, wat weer zou resulteren in een verlies van vermogen voor de robot.’

Soepele overgangen

De micro-onderwaterrobot kan met zijn flexibele vleugels een verticale snelheid bereiken van 8,5 centimeter per seconde – 1,88 lichaamslengte per seconde – en een voorwaartse snelheid van 1,2 lichaamslengte per seconde. Hierbij verbruikt de robot hoogstens 580 milliwatt. Doordat heel snel de invalshoek van de vleugels aan te passen is, worden soepele overgangen mogelijk tussen verschillende manieren van voortbewegen: drijven, rechtdoor bewegen en roteren om respectievelijk de z-as en de y-as (‘yaw’ en ‘pitch’, zie figuur hieronder). ‘Door deze eigenschappen wordt wendbaar, driedimensionaal manoeuvreren in complexe aquatische omgevingen mogelijk’, schrijven de onderzoekers in hun artikel.

Dit diagram laat zien hoe de vleugels georiënteerd zijn voor verschillende bewegingsrichtingen.

Testtraject

Wat ze daarmee bedoelen, wordt duidelijk met het testtraject dat ze het zwemmende robotje laten afleggen. In 28 seconden legt de RoboPteropod een vooraf voorgeschreven route af, waarbij hij verticaal opstijgt, dan horizontaal zwemt, vervolgens een grote bocht van 180 graden maakt om ten slotte een stukje diagonaal te stijgen. Een video van deze proef laat goed zien hoe dat gaat:
Klik hier om de video te bekijken.

Still uit de video van het robotje dat een vooraf ingeprogrammeerd traject aflegt. Klik boven de foto om de video (10 MB) af te spelen. Bron: 'A bioinspired multimotion modality underwater microrobot', Liu et al., Science Advances, 2025

De robot heeft sinds september 2023 over een periode van dertien maanden verschillende tests ondergaan, waarbij de prestaties vrijwel onveranderd bleven, vertelt Zhou. ‘We hebben ook speciale tests uitgevoerd op de piëzo-elektrische actuatoren van de robot. Na ongeveer 400.000 keer continu op en neer bewegen lieten belangrijke materiaalparameters, zoals capaciteit en de amplitude van de tipverplaatsing, bijna geen verandering zien.’

Autonoom rondzwemmen en omgevingen verkennen

De RoboPteropod is een nieuw concept, en de onderzoekers schrijven in hun artikel dat de robot nog op allerlei manieren kan worden uitgebreid. Zo willen ze sensoren gaan aanbrengen, waarmee de robot meer autonoom kan gaan rondzwemmen en omgevingen kan gaan verkennen. Ook is het denkbaar dat het waterdicht maken van de componenten nog voor verbetering vatbaar is. Een robotje dat continu in zout zeewater zwemt, heeft van die omgeving natuurlijk veel te verduren.
 

Openingsbeeld: het microrobotje bestaat uit een lijf, dat batterijen en een microcontroller bevat, en twee aandrijfmodules, waar een koppel vleugels aan zit. Alle illustraties en video's: 'A bioinspired multimotion modality underwater microrobot', Liu et al., Science Advances, 2025