US-Forschungsteam entwickelt „Muskeln“ für sicherere Roboter
Roboter sind heute in der Lage, viele Vorgänge auszuführen. Doch eine weiterhin große Herausforderung ist die Sicherheit, denn viele Maschinen sind für Menschen nicht immer ungefährlich. Nun hat ein Team der Northwestern University in den USA, ein weiches, flexibles Gerät entwickelt, das Robotern einen künstlichen „Muskel“ gibt. Dieser Muskel soll es den Apparaten ermöglichen, weicher und damit sicherer zu werden.
Roboter aus günstigem Gummi
Der Muskel soll in der Lage sein, Roboter durch Ausdehnen und Zusammenziehen zu bewegen. Um ihr neues Gerät, einen so genannten Aktuator, zu demonstrieren, haben die Forschenden einen zylindrischen, wurmartigen weichen Roboter und einen künstlichen Bizeps hergestellt. In Experimenten navigierte der zylindrische Apparat durch eine enge, rohrähnliche Umgebung. Der Bizeps war laut dem Team in der Lage, ein 500-Gramm-Gewicht 5.000 Mal hintereinander zu heben, ohne zu versagen.
Den Körper des weichen Aktuators hat das Team aus gewöhnlichem Gummi im 3D-Drucker erstellt. Dadurch sollen die resultierenden Roboter nur etwa drei Dollar an Materialkosten erfordern, ohne den kleinen Motor, der die Formveränderung des Aktuators antreibt. Üblicherweise sind solche Maschinen steif und starr und kosten oft Hunderte bis Tausende von Dollar. Der neue Aktuator soll zur Entwicklung kostengünstiger, weicher, flexibler Roboter dienen, die sicherer und praktischer für reale Anwendungen sind.
Weiche Maschinen für Menschen sicherer
„Forscher verfolgen seit langem das Ziel, Roboter sicherer zu machen“, sagte Ryan Truby von Northwestern, der die Studie leitete. „Wenn ein weicher Roboter eine Person trifft, tut das nicht annähernd so weh wie ein starrer, harter Roboter. Unser Aktuator könnte in Robotern eingesetzt werden, die für menschenorientierte Umgebungen praktischer sind. Und da sie preisgünstig sind, könnten wir sie möglicherweise häufiger in Bereichen einsetzen, die bisher zu teuer waren.“
Um den neuen Aktuator zu entwickeln, druckte das Team zylindrische Strukturen, so genannte „handed shearing auxetics“ (HSAs). HSAs verkörpern eine komplexe Struktur, die einzigartige Bewegungen und Eigenschaften ermöglicht, beispielsweise das Ausfahren und Ausdehnen bei Verdrehung. Das Team druckte die HSAs aus thermoplastischem Polyurethan, einem gewöhnlichen, preiswerten Gummi, der häufig für Handyhüllen zum Einsatz kommt.
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Versteifung wie bei echten Muskeln
Ein Gummibalg, der wie eine verformbare, rotierende Welle wirkt, erlaubt es dem Aktuator, sich im Drehmoment zu verlängern. Durch einfaches Drehen des Motors in die eine oder andere Richtung wird der Aktuator wie ein Muskel ausgefahren oder zusammengezogen. Dadurch war es möglich, einen krabbelnden, wurmartigen Softroboter aus einem einzigen Aktuator zu bauen, der sich von selbst bewegt. Die Druck- und Zugbewegungen des Aktuators trieben den Roboter vorwärts durch eine gewundene, eingeschränkte Umgebung, die ein Rohr simuliert.
Der Roboter ist nur etwa 26 Zentimeter lang und kann sowohl vorwärts als auch rückwärts mit einer Geschwindigkeit von etwas mehr als 32 Zentimetern pro Minute krabbeln. Truby bemerkte, dass sowohl der Roboter als auch der künstliche Bizeps steifer werden, wenn der Aktuator vollständig ausgefahren ist – eine weitere Eigenschaft, die frühere weiche Roboter nicht erreichen konnten.
„Wie ein Muskel versteifen sich diese weichen Aktuatoren tatsächlich“, sagte Truby. „Wenn Sie zum Beispiel schon einmal den Deckel eines Glases aufgedreht haben, wissen Sie, dass sich Ihre Muskeln anspannen und steifer werden, um Kraft zu übertragen. Auf diese Weise unterstützen die Muskeln den Körper bei seiner Arbeit. Diese Eigenschaft wurde in der Soft-Robotik bisher übersehen. Viele weiche Aktoren werden weicher, wenn sie benutzt werden, aber unsere flexiblen Aktoren werden steifer, wenn sie arbeiten.“
