Hoe chemie robots kan laten bewegen en voelen

Organisch chemicus Michael Lerch is gefascineerd door ‘technische oplossingen’ die in de natuur te vinden zijn. Hij houdt zich bezig met slimme materialen, zoals warmtecoatings om je huis koel te houden of onaangename geuren te absorberen. En hij wil robots maken die soepeler bewegen door gebruik te maken van slimme materialen die als een chemisch besturingssysteem kunnen fungeren.

FSE Science Newsroom | René Fransen

‘Slimme materialen worden vaak ontworpen door ingenieurs, die meestal gebruikmaken van componenten die al beschikbaar zijn. Als synthetisch chemicus kan ik de componenten die ik nodig heb zelf ontwerpen en maken.’ Lerch is oorspronkelijk opgeleid als synthetisch-organisch chemicus in het lab van Ben Feringa, waar hij moleculaire motoren en schakelaars bouwde. Tijdens zijn tijd als postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University (VS) raakte hij gefascineerd door de manier waarop de natuur functionele materialen creëert. ‘Een auto bestaat uit zo’n dertigduizend afzonderlijke onderdelen. Biologische materialen daarentegen bestaan uit grote aantallen samenwerkende cellen.’

Armen die zelfstandig denken

Het klinkt misschien wat vreemd voor een chemicus, maar Lerch is gefascineerd door robotica. De huidige robots vindt hij groot en onhandig. ‘De gemiddelde robot heeft allerlei sensoren om de omgeving te scannen en motortjes om te bewegen, allemaal aangestuurd door een centrale computer. Maar ze kunnen alleen uitvoeren wat in die centrale computer is voorgeprogrammeerd’, zegt Lerch.

Een dier als de octopus heeft een centraal brein, maar zijn armen kunnen zelfstandig ‘denken’. Mensen hebben ook zulke gedecentraliseerde systemen. ‘Als je struikelt, voorkomt een lokaal reflexsysteem dat je valt.’ Het brein bepaalt misschien wel waar we heen gaan, maar die lokale systemen houden ons op de been. Zulke systemen zouden ook robots kunnen helpen zich snel aan hun omgeving aan te passen.

Bewegende micro-robots

Hoe werkt zo'n decentraal systeem dan? Lerch maakt gebruik van chemische reacties in plaats van computerchips. ‘We hebben bijvoorbeeld moleculen, mechanoforen genaamd, die reageren op uitrekking of druk.’ Deze moleculen activeren vervolgens een reeks andere reacties – een beetje zoals een Rube Goldberg-machine – om een specifieke beweging teweeg te brengen. En het is mogelijk om de reacties zo te ontwerpen dat ze informatie opslaan, berekeningen uitvoeren of zelfs een specifieke reeks bewegingen uitvoeren.

Lerch is momenteel in staat om met dit chemische equivalent van een computerprogramma bewegingen te genereren op een schaal van enkele tienden van een millimeter. Dat is een behoorlijke uitdaging, aangezien normale besturingsmechanismen op zo’n kleine schaal niet werken. Maar dit zou nuttig zijn om micro-robots die te klein zijn om computerchips te herbergen te laten bewegen. En het op chemie gebaseerde besturingssysteem kan ook een lokale reactie genereren. Als een robothand bijvoorbeeld een sensor heeft die een zacht voorwerp detecteert, kan zo’n lokaal gegenereerd chemisch signaal de grijpkracht aanpassen.

Maatschappelijk betrokken

Scheikunde kan nog veel meer. Lerch werkt ook aan slimme coatings, die in de toekomst misschien je huis koel houden of onaangename geuren absorberen. En wellicht kan slimme verf straks schade in een muur detecteren. Maar Lerch is zich er ook van bewust dat scheikunde – en wetenschap in het algemeen – een schaduwkant heeft. ‘Onderzoek kan veel energie verbruiken en is verantwoordelijk voor zo’n 2 procent van het wereldwijde plastic afval.’

Toen hij zijn tenure track aanstelling in Groningen begon, werd hem gevraagd om enkele promovendi te begeleiden die aan projecten werkten om het onderzoek te verduurzamen. ‘Ik ben altijd maatschappelijk betrokken geweest, dus ik wilde graag een bijdrage leveren. Het project kwam in een stroomversnelling en nu is de Rijksuniversiteit Groningen een baken geworden in de Green Labs-beweging.’