Robotik
Wissenschaftler entwickeln leichte Roboter, die von Spinnengelenken inspiriert sind
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Deutschland und an der University of Colorado Boulder in den USA haben neue Leichtbauroboter entwickelt, indem sie die Prinzipien der Spinnengelenke nutzen.
Die Forschung mit dem Titel „Von Spinnen inspirierte elektrohydraulische Aktuatoren für schnelle, sanft betätigte Gelenke“ wurde in Advanced Science veröffentlicht.
Spinnen dienen oft als Inspiration im Bereich der Robotik, insbesondere da sie bei der Jagd nach Beute ihre Gliedmaßen durch hydraulische Betätigungsmechanismen bewegen, was Wissenschaftler in Robotern umzusetzen versuchen.
Mithilfe dieser Prinzipien war es dem Wissenschaftlerteam möglich, Gelenkroboter ohne sperrige Komponenten und Anschlüsse anzutreiben, was dazu beiträgt, ihr Gewicht zu vermeiden und die Tragbarkeit und Geschwindigkeit zu erhöhen.
Aufgrund der leichten, einfachen Strukturen, die bei seiner Konstruktion zum Einsatz kommen, kann der Roboter um das Zehnfache seiner Körpergröße springen.
SES-Gelenke
Um bei den Robotern eine hohe Leistung zu erzielen, verließen sich die Wissenschaftler auf von Spider inspirierte elektrohydraulische weich betätigte Gelenke (SES-Gelenke). Die Gelenke können auf verschiedene Arten konfiguriert werden, auch außerhalb eines Arachno-Bots.
In der Forschungsarbeit werden ein bidirektionales Gelenk, eine mehrteilige künstliche Gliedmaße und ein dreifingriger Greifer beschrieben, der zum Greifen und Aufnehmen von Gegenständen verwendet werden kann. Alle verschiedenen Kreationen haben ähnliche Eigenschaften. Sie sind leicht, einfach und leistungsstark, was bedeutet, dass sie für Robotersysteme nützlich sind, die schnelle Bewegungen erfordern und mit unterschiedlichen Umgebungen interagieren.
Die SES-Gelenke basierten auf dem HASEL Technologie, die das Team zuvor zum Aufbau künstlicher Muskeln erfunden hatte. Die SES-Gelenke ahmen einen Exoskelettmechanismus nach, der sowohl starre als auch weichere Elemente aufweist, ähnlich wie eine Spinne ihre Beine durch hydraulische Kräfte ausstreckt.
Entwicklung der von Spinnen inspirierten Roboter
Die Wissenschaftler stellten zunächst einen flexiblen Beutel aus dünnen Kunststofffolien her, die mit einem flüssigen Dielektrikum gefüllt waren. Anschließend wurden auf jeder Seite des Beutels Elektroden angebracht, und die Taschen dienten als Aktoren, wobei die hydraulische Kraft durch elektrostatische Kräfte erzeugt wurde.
Der Beutel ist mit einem Drehgelenk verbunden. Wenn zwischen den Elektroden eine Hochspannung angelegt wird, verschiebt sich das flüssige Dielektrikum im Inneren des Beutels und das Gelenk biegt sich. SES-Gelenke können sich um bis zu 70 Grad drehen, was zu hohen Drehmomenten führt, und sie können sehr leicht in die Ausgangsposition zurückkehren.
Christoph Keplinger ist Direktor der Abteilung Robotische Materialien am Max-Planck-Institut für Intelligenzsysteme.
„Die SES-Gelenke sind sehr einfach und leicht, da es keine peripheren Komponenten gibt, die den Roboter beschweren“, sagt Keplinger. „Viele Anwendungen für Softroboter erfordern vielseitige Aktoren. Diese von Spinnen inspirierten Verbindungen ermöglichen eine hohe Funktionalität und verbrauchen nur wenig Strom. Sie sind einfach und kostengünstig herzustellen – die Kunststoffe, die wir für Lebensmittelverpackungen verwenden – und ihre Produktion ist leicht skalierbar. Dies sind alles Eigenschaften, die für die Konstruktion von Robotern von entscheidender Bedeutung sind, da sie sich auf viele verschiedene Arten bewegen und eine Vielzahl von Objekten manipulieren können, ohne sie zu beschädigen.“
Die Vielseitigkeit der SES-Gelenke demonstrierten die Wissenschaftler durch den Einsatz eines Dreifingergreifers. Wenn der Greifer auf einer muskelähnlichen Struktur beruhte, wäre er beim Versuch, einen Gegenstand zu greifen, behindert. Doch mit den SES-Gelenken als Scharnieren ist der Platzbedarf deutlich geringer.
Nicholas Kellaris ist Erstautor des Artikels.
„Die Forschung zeichnet sich dadurch aus, dass wir eine Vielzahl von Materialien verwenden können, sogar den Kunststoff, der für die Herstellung von Chipstüten verwendet wird, um die Beutel herzustellen“, sagt Kellaris. „Auf diese Weise können wir SES in unterschiedlichsten Geometrien mit speziell abgestimmten Betätigungseigenschaften implementieren.“
Phillip Rothemund ist Zweitautor der Publikation.
„Das ultimative Ziel unserer Forschung war nicht, einen Spinnenroboter zu bauen“, fügt Rothemund hinzu. „Wir wollten ein hochmodernes, aktives Gelenk entwickeln, das man in jeden Robotertyp einbauen kann.“
