Wissenschaftler erstellen leichte Roboter, inspiriert von Spinnen-Gelenken

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Deutschland und an der University of Colorado Boulder in den Vereinigten Staaten haben neue leichte Roboter entwickelt, indem sie die Prinzipien von Spinnen-Gelenken verwendet haben.

Die Forschung mit dem Titel „Spinne-inspirierte elektrohydraulische Aktuatoren für schnelle, weich-aktuierte Gelenke“ wurde in Advanced Science veröffentlicht.

Spinnen dienen oft als Inspiration in der Robotik, insbesondere da sie ihre Gliedmaßen durch hydraulische Aktuationsmechanismen bewegen, wenn sie auf der Jagd nach Beute sind, was Wissenschaftler in Robotern umsetzen möchten.

Indem sie diese Prinzipien verwenden, konnten die Wissenschaftler Gelenk-Roboter ohne voluminöse Komponenten und Verbindungen antreiben, was dazu beiträgt, dass sie nicht zu schwer sind und ihre Portabilität und Geschwindigkeit erhöhen.

Aufgrund der leichten, einfachen Strukturen, die bei ihrer Konstruktion verwendet werden, kann der Roboter zehnmal seine Höhe springen.

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SES-Gelenke

Die Wissenschaftler verließen sich auf Spinne-inspirierte Elektrohydraulische Weich-Aktuierte Gelenke, oder SES-Gelenke, um hohe Leistung in den Robotern zu erzielen. Die Gelenke können auf verschiedene Weise konfiguriert werden, sogar außerhalb eines Arachno-Bots.

Der Forschungsbericht beschreibt ein bidirektionales Gelenk, ein mehrsegmentiertes künstliches Glied und einen drei-Finger-Greifer, der verwendet werden kann, um Objekte zu greifen und aufzuheben. Alle dieser Kreationen haben ähnliche Eigenschaften. Sie sind leicht, einfach und zeigen hohe Leistung, was sie für Roboter-Systeme nützlich macht, die schnelle Bewegungen erfordern und mit verschiedenen Umgebungen interagieren.

Die SES-Gelenke basierten auf der HASEL-Technologie, die zuvor von dem Team erfunden wurde, um künstliche Muskeln zu bauen. Die SES-Gelenke imitieren einen Exoskelett-Mechanismus, der sowohl starre als auch weichere Elemente hat, ähnlich wie eine Spinne ihre Beine durch hydraulische Kräfte ausstreckt.

Entwicklung der Spinne-inspirierten Roboter

Die Wissenschaftler erstellten zunächst eine flexible Tasche aus dünnen Plastikfolien, die mit einer flüssigen Dielektrikum gefüllt waren. Elektroden wurden dann auf jeder Seite der Tasche platziert, und die Taschen dienten als Aktuatoren, wobei die hydraulische Kraft durch elektrostatische Kräfte erzeugt wurde.

Die Tasche ist mit einem Drehgelenk verbunden, und wenn ein hoher Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, verschiebt sich die flüssige Dielektrikum innerhalb der Tasche und das Gelenk biegt sich. SES-Gelenke können bis zu 70 Grad drehen, was zu hohen Drehmomenten führt, und sie können sehr leicht in die Ausgangsposition zurückkehren.

Christoph Keplinger ist Leiter der Abteilung für Robotik-Materialien am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.

“Die SES-Gelenke sind sehr einfach und leicht, da es keine peripheren Komponenten gibt, die den Roboter beschweren”, sagt Keplinger. “Viele Anwendungen für weiche Roboter erfordern vielseitige Aktuatoren. Diese spinne-inspirierten Gelenke ermöglichen hohe Funktionalität und verbrauchen nur wenig Energie, sie sind einfach und billig herzustellen – die Plastikfolien, die wir verwenden, sind für Lebensmittelverpackungen – und ihre Produktion ist leicht skalierbar. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Konstruktion von Robotern, die auf viele verschiedene Arten bewegen und eine Vielzahl von Objekten manipulieren können, ohne sie zu zerbrechen.”

Die Wissenschaftler demonstrierten die Vielseitigkeit der SES-Gelenke durch die Anwendung eines drei-Finger-Greifers. Wenn der Greifer auf eine muskelähnliche Struktur angewiesen wäre, wäre er behindert worden, wenn er versucht hätte, ein Objekt zu greifen. Aber mit den SES-Gelenken als Scharniere ist viel weniger Platz erforderlich.

Nicholas Kellaris ist Erstautor des Papiers.

“Die Forschung hebt sich ab, weil wir eine Vielzahl von Materialien verwenden können, sogar das Plastik, das für Chipstüten verwendet wird, um die Taschen herzustellen”, sagt Kellaris. “Auf diese Weise können wir SES in einer Vielzahl von Geometrien mit speziell abgestimmten Aktuationscharakteristika umsetzen.”

Phillip Rothemund ist zweiter Autor der Veröffentlichung.

“Das ultimative Ziel unserer Forschung war nicht, einen Spinne-Roboter zu bauen”, fügt Rothemund hinzu. “Wir wollten ein hochentwickeltes, aktives Gelenk entwickeln, das man in jeden Roboter einbauen kann.”