Luftbetriebener Computerspeicher kann sanfte Roboterbewegungen steuern

Ingenieure der University of California – Riverside haben einen luftbetriebenen Computerspeicher entwickelt, der dabei helfen kann, die Bewegungen von Softrobotern zu steuern. Das neue System adressiert eine der größten Herausforderungen in der Soft-Robotik, nämlich das Missverhältnis zwischen Pneumatik und Elektronik.

Die Forschung wurde in veröffentlicht PLoS ONE.

Druckluft wird verwendet, um die weichen, gummiartigen Gliedmaßen und Greifer pneumatischer Soft-Roboter zu bewegen, die empfindliche Aufgaben besser ausführen können als herkömmliche starre Roboter. Gleichzeitig sind sie auch sicherer. 

Die bestehenden Systeme zur Steuerung pneumatischer Softroboter basieren auf elektronischen Ventilen und Computern, um die Position der beweglichen Teile des Roboters aufrechtzuerhalten. Allerdings erhöhen elektronische Teile die Kosten, die Größe und den Leistungsbedarf solcher Roboter.

Das Team wurde von dem Bioingenieur-Doktoranden Shane Hoan, dem Bioingenieur-Professor William Grover, dem Informatik-Professor Phillip Brisk und dem Maschinenbau-Professor Konstantinos Karydis geleitet. Das Team ließ sich von der Vergangenheit inspirieren, um das Gebiet der Soft-Robotik voranzutreiben. 

„Pneumatische Logik“ wurde in den frühen 1990er Jahren einst zur Steuerung verschiedener Produkte wie Thermostate und Klimatisierungssysteme eingesetzt. Es basiert auf Luft anstelle von Elektrizität und die Luft strömt durch Kreisläufe oder Kanäle. Luftdruck wird auch zur Darstellung von Ein/Aus oder Wahr/Falsch verwendet, und in modernen Computern wird dies im Code durch 1 und 0 dargestellt, die dann elektrische Ladungen steuern können.

Da pneumatische Soft-Roboter sich die Positionen ihrer beweglichen Teile merken und beibehalten müssen, machten sich die Forscher daran, ein pneumatisches Logik-„Gedächtnis“ zu entwickeln, das die Notwendigkeit des derzeit verwendeten elektronischen Speichers überflüssig machen könnte. 

Erstellen des pneumatischen Direktzugriffsspeichers

Das Team erstellte seinen pneumatischen Direktzugriffsspeicher- oder RAM-Chip mithilfe von Mikrofluidikventilen anstelle elektronischer Transistoren. Ursprünglich zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses auf Mikrofluidik-Chips konzipiert, sind die Mikrofluidik-Ventile auch in der Lage, den Luftstrom zu steuern. Die Ventile sind gegen eine Druckdifferenz abgedichtet, und zwar auch dann, wenn sie von einer Luftversorgungsleitung getrennt sind. Dieses System erzeugte eingeschlossene Druckunterschiede, die als Speicher dienen und den Zustand der Aktuatoren eines Roboters aufrechterhalten können. 

Mithilfe dieser dichten Anordnung von Ventilen können die Roboterbewegungen komplexe Vorgänge ausführen. Gleichzeitig reduzieren sie den Bedarf an teurer, sperriger und stromverbrauchender elektronischer Hardware. 

Das Team modifizierte zunächst die mikrofluidischen Ventile so, dass sie größere Luftdurchflussraten bewältigen konnten. Anschließend produzierten sie einen pneumatischen 8-Bit-RAM-Chip, der in der Lage war, größere und sich schneller bewegende Soft-Roboter zu steuern, bevor sie ihn in 3D-gedruckte Gummihände integrierten. 

Der pneumatische RAM nutzt Luft unter atmosphärischem Druck, um einen Wert „0“ oder FALSCH darzustellen, und Vakuum wird verwendet, um einen Wert „1“ oder WAHR darzustellen. Bei Anschluss an atmosphärischen Druck dehnen sich die weichen Roboterfinger aus, bei Anschluss an Vakuum ziehen sie sich zusammen.

Den Forschern gelang es, die Kombinationen aus atmosphärischem Druck und Vakuum innerhalb der Kanäle auf dem RAM-Chip zu variieren, um den Roboter dazu zu bringen, Noten, Akkorde und schließlich ein ganzes Lied auf einem Klavier zu spielen. 

Nach Angaben des Teams könnte dieses System theoretisch dazu verwendet werden, andere Roboter ohne die Notwendigkeit elektronischer Hardware zu betreiben. Es ist lediglich eine batteriebetriebene Pumpe erforderlich, um ein Vakuum zu erzeugen. 

Da im System kein Überdruck herrscht, besteht auch keine Gefahr einer versehentlichen Überdruckbeaufschlagung und eines Ausfalls des Roboter- und Steuerungssystems. Dies bedeutet, dass diese Roboter in der Nähe von Menschen weitaus sicherer sind und daher als tragbare Geräte verwendet werden könnten.