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Robotik: Weiche Roboterarme mit besonderen Talenten

Roboter aus Metall leisten gute Arbeit. Doch eine neue Generation von weichen Maschinen könnte ihnen in manchen Bereichen den Rang ablaufen.
Origami-Inspired Artificial Muscles

Veröffentlicht am: 27.11.2017

Laufzeit: 0:02:18

Sprache: ohne gesprochene Sprache

Die Harvard University ist eine private Eliteuniversität in Cambridge (Massachusetts) im Großraum Boston an der Ostküste der Vereinigten Staaten.

Wenn präzise, sich ständig wiederholende Bewegungsabläufe gefragt sind, geht nichts über einen Roboterarm aus Metall. Die bewährte Kombination aus Stahlgelenken, Servomotoren und Hydraulik arbeitet kraftvoll, schnell und zuverlässig. Es gibt jedoch Anwendungsbereiche, in denen andere Qualitäten gefragt sind. Vor allem im Umgang mit Menschen könnten weiche Systeme mit einem sensiblen Griff punkten.

In dem YouTube-Video der Universität Harvard wird eine ganze Reihe solcher weicher Roboterarme vorgestellt. Sie alle basieren auf flexiblen Kunststofffolien, die in bester Origami-Manier gefaltet und verschweißt sind. Die dabei entstehenden Luftkammern können gezielt aufgeblasen und entlüftet werden, wodurch die Arme verschiedenste Bewegungen ausführen: Sie greifen, drehen und verschieben. Mitunter agieren sie dabei auch durchaus kraftvoll und heben das 1000-Fache ihres eigenen Gewichts.

Einer der größten Vorteile solcher Systeme ist, dass ein weicher, durch Luftdruck aktivierter Greifer die genaue Form eines Objekts nicht kennen muss, um es fassen und festhalten zu können. Wo bei einer herkömmlichen Roboterhand technisch aufwändige Drucksensoren und womöglich noch Kameras und Ähnliches nötig sind, um ein Objekt zu erfassen, greift die weiche Hand einfach mit sanftem Druck zu und passt sich dabei von selbst dem Objekt an.

Wie im Video gezeigt wird, gelingt es so auf einfache und elegante Art, empfindliche Gegenstände wie etwa eine Banane zu ergreifen. Anfang letzten Jahres hat die Universität Harvard in Zusammenarbeit mit einem Bostoner Krankenhaus sogar bereits ein Projekt vorgestellt, bei dem es um ein noch viel empfindlicheres Objekt ging: das Herz. Im Tierversuch haben die beteiligten Forscher eine weiche Hülle mit aufblasbaren Kammern um das Organ gelegt und von außen mit Druckluft versorgt. So pulsierte das Gerät im Gleichtakt mit dem Puls und unterstützte das Herz beim Pumpen.

Die weiche Maschine musste allerdings von außen über Schläuche mit Luft angetrieben werden. Das ist nicht nur im Fall eines Implantats von Nachteil, sondern betrifft im Grunde auch alle im Video vorgestellten Roboterarme: Sie benötigen eine Pumpe und sind deshalb nur sehr bedingt mobil einsetzbar. Als Alternative dazu gelten künstliche Muskeln, die elektrisch angeregt werden. Eine besonders vielversprechende Variante davon, die HASEL-Aktuatoren, hat man kürzlich an der Universität von Colorado entworfen. Mit einer geschickten Kombination aus elektrostatischer Anziehung und Hydraulik ist es den Forschern dort gelungen, einen äußerst vielseitigen, künstlichen Muskel zu entwickeln. Zur Gänze aus weichen Materialien bestehend ist er in der Lage, sowohl schnelle als auch kraftvolle Bewegungen auszuführen und wartet nun auf seine ersten echten Anwendungen.

Im kleinen Maßstab gibt es jedoch auch elegante Lösungen, um einen mobilen Roboter mit Druckluft zu versorgen. Bereits 2016 hat man in Harvard einen künstlichen Minioktopus entwickelt, der als der erste autonome und komplett weiche Roboter der Welt gilt. Auch wenn sich seine Nützlichkeit in Grenzen hält – er kann abwechselnd jeweils vier seiner Arme heben und senken –, gilt seine Funktionsweise als wegweisend. Der nur wenige Zentimeter große Oktobot kommt völlig ohne Elektronik aus und wird durch eine chemische Reaktion angetrieben, die eine kleine Menge flüssigen Treibstoffs in Gas umwandelt und so Druck erzeugt. Statt mit einer elektronischen Steuerung koordiniert er seine Bewegungen über einen Schaltkreis aus feinen Strömungskanälen, durch die das Gas abwechselnd in die verschiedenen Tentakel gelangt. Dort befinden sich größere Hohlräume, die sich wie Luftballone aufblähen und so den jeweiligen Arm in Bewegung versetzen.

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  • Quellen
Li, S. et al.: Fluid-driven origami-inspired artificial muscles. In: PNAS December 12, 2017 114 (50) 13132–13137

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