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Softroboterdesign mit Biomimetik

Bill Marshall
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Was Softrobotern an harter Kraft und Präzision fehlt, machen sie durch ihre sanfte Geschicklichkeit im Umgang mit empfindlichen Gegenständen und durch ihre Fähigkeit, Orte zu erreichen, die anderen Roboter nicht zugänglich sind, wett.

Softroboter und Cobots

Im Jahr 2013 schrieb ich für DesignSpark einen Artikel mit dem Titel.Soft Humans, Hard Robots, der das Konzept der „Softroboter“ einführte, ein neues Forschungsgebiet, das sich schnell zum Mainstream entwickelte. Damals ging es vor allem darum, Betätigungselemente wie pneumatische Muskeln und Greifer zu entwickeln, die zerbrechliche Gegenstände aufnehmen können, ohne sie zu zerbrechen – wie eine menschliche Hand. Der Begriff Cobots bezieht sich heute auf Roboter mit einer „menschenfreundlichen“ Konstruktion und Sicherheitseinstellung, die es ermöglichen, dass Roboter neben menschlichen Arbeitern an einer Werkbank arbeiten können. Während der Cobot seine harte innere Struktur durch sorgfältiges Design und weiche Materialien auspolstert, sind Softroboter oft vollständig aus nachgiebigem Material hergestellt, nicht um sie für den Menschen sicher zu machen, sondern um ihnen die Arbeit in ausgesprochen gefährlichen oder ungünstigen Umgebungen zu ermöglichen. Biologisch gesehen ist der Cobot ein Wirbeltier mit einer inneren „Knochenstruktur“, die ihm Kraft und die Fähigkeit zur präzisen Bewegung verleiht. Der Softroboter ist in der Regel ein Wirbelloser, wie eine Qualle oder ein Tintenfisch, der in der Lage ist, sich durch enge Lücken zu quetschen, sich um unebenes Gelände zu biegen oder unregelmäßige Gegenstände zu greifen. Tatsächlich ist Mutter Natur eine unerschöpfliche Ideenquelle für weiche Robotermechanismen. Dieses allgemeine Fachgebiet wird als Biomimikry oder Biomimetik bezeichnet.

Biomimetik

Die Biomimetik hat abhängig vom Anwendungsbereich viele verschiedene Definitionen. Für die Soft-Robotik kann man sagen, dass sie sich von der Funktion eines biologischen Mechanismus, zum Beispiel der menschlichen Hand, inspirieren lässt und eine funktionell ähnliche künstliche Version schafft – einen Robotergreifer. Der Schlüsselbegriff ist „funktionell ähnlich“, also keine exakte Kopie. Ein anderes Beispiel wäre ein Flugzeugflügel: inspiriert von den Vogelflügeln, aber mit anderen Materialien. Dieser Vortrag von George Whitesides, „Bioinspiration: für jeden etwas“ und der folgende Videovortrag erläutern das Denken hinter der Biomimetik im Soft-Roboter-Design.

Softroboter befinden sich noch in der Entwicklungsphase: derzeit werden kaum kommerzielle Produkte zum Kauf angeboten. Daher fokussiert dieser Artikel sehr auf die Forschung und Entwicklung mit Videoclips und Links zu den Arbeiten von Universitätsforschern. Die größte Entwicklungsarbeit findet in vier überlappenden Bereichen statt: Erfassen von unregelmäßigen und/oder zerbrechlichen Objekten, Fühlen, künstliche Muskeln und Vortrieb. Streng genommen sollte ein Softroboter komplett aus konformen Materialien bestehen (keine harten Teile wie leiterplattenbasierte Elektronik), aber es gibt auch „Grauzonen“. Beispielsweise kann ein herkömmlicher Gelenkarm einen weichen Greifer für die Handhabung empfindlicher Teile haben.

Greifer

Da die meisten kleinen Roboterarme ihr Leben damit verbringen, Dinge aufzuheben und woanders abzulegen, ist der am häufigsten verwendete „Endeffektor“ der Greifer. Ein „harter“ Robotergreifer ist starr und kann in der Regel ausreichend Kraft erzeugen, um ein zerbrechliches Objekt zu zerquetschen. Ohne taktile Rückmeldung oder Objekterkennung ist es dem menschlichen Bediener/Programmierer überlassen, wie viel Kraft zum Greifen ausreicht, ohne das Objekt zu zerbrechen. Eine sehr schwierig zu automatisierende Aufgabe. Weiche Greifer, die auf Pneumatik oder elektrostatischer Haftung basieren, sind in vielerlei Hinsicht überlegen: Sie sind sehr schonend, die meisten können Objekte unterschiedlicher Formen und Gewichte handhaben, und die Steuerung ist viel einfacher, ohne dass eine taktile Rückmeldung erforderlich ist. Sehen Sie sich diesen technischen Prototyp von Festo für einen Roboterarm und -greifer auf Basis eines Oktopus-Tentakels an:

Dieses Gerät verwendet Druckluft, um den Arm zu bewegen und das Objekt durch Anwendung von Vakuum mit den „Saugern“ zu greifen. Der Einsatz von Pneumatik oder Hydraulik zum Antrieb eines Roboterarms ist nichts Neues. Neu ist der Einsatz von Biomimikry bei der Konstruktion der Betätigungselemente. Herkömmliche Kolben-in-Zylindern (Stößel) wurden durch Zellstrukturen ersetzt, die ohne Hebel, Nocken und komplexe Steuerungen direkt die gewünschte Bewegung erzeugen können. Auch Drehbewegungen sind möglich, wie wir später sehen werden. Das nächste Video zeigt einen elektrostatischen Greifer, der fast alles aufnehmen kann:

Muskeln

Der humanoide Roboter liegt wegen seiner tragenden „Knochenstruktur“ in der Grauzone zwischen weicher und harter Robotik. Frühe Versuche, „Androiden“ in voller Größe herzustellen, benutzten Pneumatik-/Hydraulikstößel, um die Muskeltätigkeit zu simulieren. Der Erfolg war wegen des Gewichts dieser Teile und der großen Anzahl an Teilen zur Nachahmung selbst einfacher menschlicher Bewegungsabläufe eher bescheiden. Es wird gerade viel Aufwand in die Entwicklung leichterer und flexiblerer Betätigungselemente gesteckt. In diesem Video bilden neuartige Konstruktionsmethoden unter Verwendung von Standardmaterialien pneumatisch angetriebene weiche „Muskeln“:

Ein Beispiel für eine von der Anwendung genau diktierte Softroboter-Konstruktion ist in dem Artikel „A Soft Tube-Climbing Robot“ beschrieben. Der gesamte Roboter ist ein reiner pneumatischer Muskel! Forscher suchen nach neuen Materialien, die sich beim Anwenden von Wärme oder elektrischem Strom ausdehnen oder zusammenziehen. Dieser Artikel mit dem Titel „Soft material for soft actuators“ beschreibt ein spezielles Polymer, das mit flüssigen Ethanolblasen durchsetzt ist. Ein eingebetteter Draht wird durch einen elektrischen Niederspannungsstrom erwärmt, wodurch sich das „Muskelmaterial“ ausdehnt.

Wie wäre es mit diesem Oktopus-Roboter (Octobot) von der Harvard University? Der mit einem 3D-Drucker hergestellte Roboter verwendet Gasdruck, um seine Tentakel zu bewegen. Das Gas stammt aus einer katalytischen Reaktion zwischen Platin und Wasserstoffperoxid, auch bekannt als verdünnter Raketentreibstoff. Das Video zeigt, wie er funktioniert:

Der oben beschriebene elektrostatische Greifer ist ein Beispiel für einen dielektrischen Elastomerantrieb (DEA). Sein Funktionsprinzip kann so angepasst werden, dass ein künstlicher Muskel für andere Zwecke geschaffen wird. Eine neuartige Variante wird in dem Artikel mit dem Titel „Translucent soft robots driven by frameless fluid electrode dielectric elastomer actuators“ beschrieben. Dieser Muskel ist für den Einsatz unter Wasser konzipiert, wobei das Meer eine Elektrode bildet. Er ist in der Lage, die langsame wellenförmige Bewegung eines Fisch- oder Aalkörpers zu reproduzieren. Dieser Anwendung wurde von einer bestimmten Aallarve, dem Leptocephalus, inspiriert. Ein nützliches Merkmal dieses Roboter-Aals ist sein fast durchsichtiges Erscheinungsbild. Er scheint zu verschwinden, wenn er ins Wasser getaucht wird.

Vortrieb

Die von mir erwähnten künstlichen Muskeln würden für die notwendige Bewegung für jede Art von Laufroboter (humanoid oder mehrbeinig) sorgen. Was ist mit den Antriebsrädern? Für den Antrieb eines Rades können die gleichen Prinzipien aufblasbarer Zellen wie bei Greifern verwendet werden. Drehantriebe werden in diesem Video anhand eines komplett „weichen“ Rovers mit Rädern demonstriert:

Ein Oktopus nutzt den Strahlantrieb für schnelle Bewegungen. Das ist an sich nicht sehr interessant. Was Forscher faszinierte, war die Art und Weise, wie er es tut. Im Prinzip drückt eine plötzliche Muskelkontraktion eine mit Wasser gefüllte Blase zusammen und erzeugt so den „Raketeneffekt“. Im Artikel „Ultra-fast escape manoeuvre of an octopus-inspired robot“ wird beschrieben, wie der Oktopus beim Entleeren der Blase stromlinienförmiger wird. Durch die bessere Hydrodynamik wird der Schubverlust teilweise kompensiert. Diese Kreaturen eignen sich für alle möglichen biomimetischen Inspirationen, die im Einführungsvideo zu sehen sind, und mit noch mehr Ideen, die im letzten Video dieses Artikels vorgestellt werden.

Sensoren

Die nächsten beiden Forschungsartikel zeigen, wie die Natur einen neuen Blickwinkel auf das Sensordesign bietet. Der erste Artikel, „Bioinspired polarization vision enables underwater geolocalization“, demonstriert, wie die lichtpolarisationsempfindlichen Sicht von Unterwasser-Sonnenlicht zur Positionsbestimmung verwendet wird: ein niedrigpräzises GPS. Die Bioinspiration kam beim Studium von Garnelenaugen.

Der zweite Artikel „Fully 3D Printed Multi-Material Soft Bio-Inspired Whisker Sensor for Underwater-Induced Vortex Detection“ beschreibt einen hochspezialisierten Unterwassersensor. Die Schnurrhaare eines Seehunds erkennen die Wasserwirbel, die durch ihre schwimmende Fischbeute erzeugt werden. Die Forscher entwickelten eine künstliche Version für einen Softroboterfisch.

Zum Schluss:

Die meisten Softroboter haben mindestens eine bioinspirierte Funktion, und Softgreifer sind wahrscheinlich schon bald ein Muss bei Cobot-Armen. Dieses letzte Video enthält weitere Beispiele für den Technologietransfer von der Natur zur künstlichen Welt mit dem vielseitigen Oktopus

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Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.

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