Origami-Strukturen führen zu einstellbarer Steifigkeit bei Robotern

Neue Forschungsergebnisse der Arizona State University zeigen, wie gebogene Origami-Strukturen zu einer einstellbaren Flexibilität bei Robotern führen können. Durch die einstellbare Flexibilität kann ein Roboter seine Steifigkeit an die jeweilige Aufgabe anpassen, was sich in der Vergangenheit mit einfachen Konstruktionen als schwierig zu implementieren erwiesen hat.

Hanqing Jiang ist Professor für Maschinenbau an der Universität und Hauptautor des Artikels mit dem Titel „In Situ Steifigkeitsmanipulation mit elegant geschwungenem Origami.“ Die Arbeit wurde veröffentlicht in Wissenschaft Fortschritte.

„Die Einbeziehung gekrümmter Origami-Strukturen in das Roboterdesign bietet eine bemerkenswerte Möglichkeit der einstellbaren Flexibilität oder Steifigkeit als ergänzendes Konzept“, sagte Jiang. „Hohe Flexibilität oder geringe Steifigkeit ist vergleichbar mit der sanften Landung einer Katze. Geringe Flexibilität oder hohe Steifheit ähnelt einem harten Sprung in einem Paar steifer Stiefel.“

Betriebsunterschied

Jiang verglich den betrieblichen Unterschied, den gebogene Origami-Modelle bieten, mit dem von Sportwagen und Fahrzeugen, die eher auf Komfort ausgelegt sind.

„Ähnlich wie der Wechsel zwischen einem sportlichen Automodus und einem komfortablen Fahrmodus bieten diese gebogenen Origami-Strukturen gleichzeitig die Möglichkeit, bei Bedarf zwischen einem weichen und einem harten Modus zu wechseln, je nachdem, wie die Roboter mit der Umgebung interagieren“, sagte er.

Im Bereich der Robotik gibt es verschiedene Steifigkeitsmodi, beispielsweise eine hohe Steifigkeit, die für das Heben schwerer Gewichte entscheidend ist. Für die Stoßdämpfung ist eine hohe Flexibilität erforderlich, und für das Sprinten wird die negative Steifigkeit, also die Fähigkeit, gespeicherte Energie wie bei einer Feder freizusetzen, genutzt.

Flexibilität auf Abruf

Roboter, die Steifigkeit erfordern, sind oft sperrig. Allerdings ermöglicht gebogenes Origami ihnen den Betrieb auf einer erweiterten Steifigkeitsskala, was eine bedarfsgerechte Flexibilität bedeutet.

Die Forschung des Teams konzentrierte sich auf die Kombination der Faltenergie an Origami-Falten mit der Biegung des Panels, die durch Bewegung entlang mehrerer Falten zwischen zwei Punkten abgestimmt wird. Beim gebogenen Origami ist ein einzelner Roboter in der Lage, verschiedene Bewegungen auszuführen. Das Team entwickelte beispielsweise einen Schwimmroboter, der über neun verschiedene Bewegungen verfügt, etwa schnell, langsam, mittel, linear und rotierend. Um dies zu erreichen, müssen lediglich die Falten angepasst werden.

Neben der Robotik könnten die in der Forschung dargelegten Prinzipien dazu beitragen, mechanische Metamaterialien in der Elektromagnetik-, Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie zu entwerfen. Es könnte sich auch bei der Entwicklung biomedizinischer Geräte als nützlich erweisen.

„Das Schöne an dieser Arbeit ist, dass das Design aus geschwungenen Falten besteht und jede geschwungene Falte einer besonderen Flexibilität entspricht“, sagte Jiang.

Weitere an der Forschung beteiligte Autoren sind Hanqing Jiang, Zirui Zhai und Lingling Wu von der School for Engineering.