Vinnige grijper


Foto: Tino Strauss

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

Onze handen zijn door de natuur ontwikkelde multifunctionele hightech grijpers. We kunnen er objecten met allerlei vormen, gewichten en afmetingen mee vastpakken. Bovendien kunnen handen zowel stevige als breekbare voorwerpen hanteren. Voor ons is dat vanzelfsprekend, maar voor industriële robots een hele uitdaging. Daarom bestaan er vele soorten grijpers, ieder op maat gemaakt voor een specifieke taak. Vooral het hanteren van delicate objecten zoals tomaten en holle chocolade paaseieren is lastig voor een apparaat. Menige poging daartoe eindigde in tomatenpuree of hagelslag.

Vinstraal-effect
Diverse onderzoekers proberen de perfecte robothand te maken die net als de menselijke variant functioneert. Handen zijn echter ingewikkelde stukjes techniek die zich niet simpel en goedkoop laten reproduceren. Gelukkig heeft de natuur voor iedere technische uitdaging meestal meerdere oplossingen te bieden, soms uit onverwachte hoek. De zoektocht naar een eenvoudige multifunctionele industriële grijper bijvoorbeeld leverde een nogal onwaarschijnlijke inspiratiebron op: vissen.

De vinnen van beenvissen zoals snoeken, forellen en kabeljauwen bestaan uit botachtige uitsteeksels, de vinstralen, die aan beide zijden zijn bedekt met een laagje huid. Ze zijn geschikt om mee te zwemmen, te remmen en te sturen, maar niet om iets vast te pakken. Dat ze toch inspiratie leveren voor grijpers komt door een bijzondere eigenschap. Duwt men met een vinger dwars op een vin, dan wijkt de vin – tegen de verwachting in – niet weg van de vinger, maar vouwt zich eromheen. De vin beweegt dus niet weg van de druk, maar er juist naartoe. Dit fenomeen staat bekend als het ‘fin ray effect’, naar het Engelse woord voor vinstraal. Door deze eigenschap kunnen ­vinnen zowel actief als passief effectieve vormen aannemen voor het zwemmen, remmen en sturen.

Het effect wordt veroorzaakt door de structuur van de flexibele vinstralen. Deze zijn opgebouwd uit segmenten die ten opzichte van elkaar kunnen draaien. Deze beweging is alleen mogelijk in de richting loodrecht op de vin. Ieder segment bestaat uit twee helften die met elkaar zijn verbonden door flexibele vezels. De afstand tussen twee verbonden segmenthelften kan niet veranderen, maar de helften kunnen wel ten opzichte van elkaar verschuiven. Richting het uiteinde van de staart loopt een vinstraal taps toe. Hierdoor wordt de afstand tussen de segmenthelften kleiner en zijn de verbindende vezels tussen de helften korter.

Krom
Als dwars op een vin wordt gedrukt, verschuiven alle segmenthelften van de vinstralen iets ten opzichte van elkaar. Omdat de verbindingsvezels richting uiteinde steeds korter worden, verschilt de mate waarin de segmenthelften verschuiven. Het resultaat hiervan is dat de segmenten ten opzichte van elkaar roteren en de vinstraal zich nagenoeg over zijn hele ­lengte kromt richting het drukpunt.

Passieve vinger
Dit effect is na te bootsen met een flexibele driehoek waarbij twee zijden door een aantal parallelle schotjes met elkaar zijn verbonden. Door een kleine druk tegen de zijkant van de driehoek vouwt die zich om het drukpunt heen en functioneert zo als een soort passieve vinger. Door een aantal ‘vinvingers’ te combineren, ontstaat een grijper die net als een hand willekeurige voorwerpen kan vastpakken. Door de vinvingers tegen een object te duwen vouwen ze zich eromheen. Bovendien verdeelt een vinvinger de druk over zijn hele lengte en knijpt daarom niet in een object. De grijper kan dus ook tomaten en paaseieren vastpakken zonder dat het een enorme bende wordt.


Foto: http://www.bionikvitrine.de/fin-ray-effect.html


Foto: Festo

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

Deze video laat de grijper met de ‘vinvingers’ in actie zien bij het sorteren van fruit. Zowel de grijper als de arm die de grijper beweegt zijn gebaseerd op het fin ray effect. Een andere demonstratie van het systeem is hier te zien. De fin ray arm kan ook zonder grijper worden gebruikt, zoals deze sorteermachine laat zien.

Dit filmpje toont de werking van een enkele vinvinger. Dat het fin ray effect ook met behulp van lego gedemonstreerd kan worden toont deze creatieveling.

Het fin ray effect is zelfs terug te vinden in een schoonmaakhulp, namelijk de PowerPress om een natte zwabber, dweil of mop mee uit te wringen.

Welke functie vinnen, naast het voortbewegen van de vis, nog meer kunnen hebben is te lezen op de Engelstalige Wikipedia.


Foto: Festo


Foto: Festo

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 18 september 2015

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84