User Group: Wissenschaftler:innen

Ein Team von Wissenschaftler:innen des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der University of Colorado Boulder entwickelt Gelenke, denen Spinnenbeine Modell standen, und bauen daraus leichte und filigrane Roboter.

Es wäre nicht das erste Mal, dass Spinnen dem Forschungsfeld der Soft-Robotik als biologische Vorbilder dienen. Die hydraulischen Antriebsmechanismen, mit denen die Gliederfüßer ihre Beine beim Weben ihrer Netze oder bei der Jagd bewegen, verleihen Spinnen Kräfte, die so manch Robotiker oder Ingenieur versucht nachzubauen.

Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der University of Colorado Boulder in den USA hat nun ein Spinnengelenk nachgebildet, das es so noch nie gab. Sogenannte Gelenkroboter lassen sich damit sehr gut bewegen, da dessen Beine ohne sperrige Komponenten und Verbindungsstücke auskommen, die den Roboter beschweren, unbeweglich und langsam machen. Die schlanken und leichten, simplen Gelenkstrukturen beeindrucken insbesondere dadurch, dass sie den Roboter um das Zehnfache seiner Höhe hochkatapultieren können. Ende Mai wurde die Forschungsarbeit mit dem Titel „Spider-inspired electrohydraulic actuators for fast, soft-actuated joints“ in Advanced Science veröffentlicht.

Die hohe Sprungkraft wird möglich durch sogenannte Spider-inspired Electrohydraulic Soft-actuated joints – kurz SES-Gelenke. Die Gelenke setzen die Forscher in vielen verschiedenen Konfigurationen ein – nicht nur bei der Entwicklung von Arachno-Bots. In ihrer Arbeit stellen die Wissenschaftler zunächst ein bidirektionales Gelenk vor, gehen dann über zu einer mehrteiligen Gliedmaße und zeigen am Ende, dass sie mit den Gelenken sogar eine ganze Greifhand mit drei Fingern bauen können. Die Roboterhand kann selbst zerbrechliche Gegenstände problemlos aufheben und bewegen, ohne dabei etwas kaputt zu machen. Alle Kreationen, die auf SES-Gelenken basieren, sind leicht, einfach im Design und sehr leistungsstark. Das macht sie ideal für Robotersysteme, die sich schnell bewegen und mit vielen verschiedenen Umgebungen interagieren können müssen.

Die Forscher entwickelten ihre SES-Gelenke auf Basis der HASEL-Technologie, die das Team vor einigen Jahren zum Bau künstlicher Muskeln erfunden hat. SES-Gelenke ahmen ein von Spinnen inspiriertes Exoskelett nach, das sowohl aus starren als auch weichen Elementen besteht. Während jedoch das Tier eine hydraulische Kraft beim Strecker der Beine erzeugt, ist es beim Roboter genau anders herum, nämlich wenn er seine Beine anwinkelt.

SES-Gelenke bestehen aus einem weichen Beutel, der aus dünner Kunststofffolie (entweder Polyester oder Polypropylen) hergestellt wird. Diesen füllen die Forscher mit einer elektrisch insulierenden Substanz. Die Forscher nutzen hierfür ein einfaches Pflanzenöl. Dann befestigen sie Elektroden auf jeder Seite des Beutels. Der Beutel wiederum ist verbunden mit einem starren Drehgelenk. Wenn eine Hochspannung zwischen den Elektroden angelegt wird, bewirken die elektrostatischen Kräfte, dass sich das Pflanzenöl im Inneren des Beutels verschiebt und sich so das Gelenk dreht. SES-Gelenke lassen sich bis zu 70 Grad drehen. Das hat ein hohes Drehmoment zur Folge. Zudem kehren die Gelenke automatisch in ihre Ausgangsposition zurück.

„SES-Gelenke sind sehr einfach und leicht, da es keine peripheren Komponenten gibt, die den Roboter beschweren“, sagt Christoph Keplinger, Leiter der Abteilung für Robotik-Materialien am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. „Weiche Roboter erfordern vielseitige Antriebe. Diese von Spinnen inspirierten Gelenke sind sehr leistungsstark, verbrauchen wenig Energie, und sie sind einfach und billig herzustellen – wir verwenden Kunststoffe, mit denen auch Lebensmittel verpackt werden. Die Produktion der Gelenke wäre also leicht skalierbar. Das sind alles Kriterien, die beim Design maßgeblich sind, wenn sich die Roboter auf viele verschiedene Arten bewegen und eine Vielzahl von Objekten greifen sollen, ohne sie kaputt zu machen.“

Eine Greifhand mit drei Fingern ist eine Anwendung, mit der das Team die Vielseitigkeit der SES-Gelenke unter Beweis stellt. Hätte das Team den Greifer stattdessen mit künstlichen Muskeln ausgestattet, wären diese im Weg, wenn die Robotik-Hand ein Objekt greift. SES-Gelenke hingegen benötigen weit weniger Platz.

„Die Forschung zeichnet sich dadurch aus, dass wir eine Vielzahl von Materialien verwenden können, sogar Kunststoff, aus dem Chips-Tüten hergestellt werden“, sagt der Erstautor der Publikation Nicholas Kellaris von der University of Colorado Boulder. „Auf diese Weise können wir SES-Gelenke bei vielen verschiedenen Robotern einsetzen, die alle ganz spezielle Eigenschaften haben.“

„Es war nicht unser primäres Ziel, einen Spinnenroboter zu bauen“, fügt Philipp Rothemund, der Zweitautor der Publikation, hinzu. „Wir wollten vielmehr ein modernes, vielseitiges Gelenk entwickeln, das man in jede Art von Roboter einbauen kann.“

Besonders für kleine Robotersysteme von nur wenigen Zentimetern Größe, bei denen der begrenzte Platz die Wahl des Antriebs stark einschränkt, werden SES-Gelenke in Zukunft sehr nützlich sein. Für das Forschungsfeld der Soft-Robotik ist diese Erfindung ein echter Sprung nach vorn.

Ein Team von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) hat ein System entwickelt, mit dem sie passgenau Baustein für Baustein Miniaturroboter herstellen können.

Wie bei einem Lego-System können die Wissenschaftler*innen einzelne Komponenten beliebig kombinieren. Die Bausteine oder Voxel – man könnte sie auch als 3D-Pixel bezeichnen – bestehen aus unterschiedlichen Materialien: welche, die die Konstruktion halten, bis hin zu magnetischen Komponenten, die die Steuerung der weichen Maschinen ermöglichen. „Man kann die einzelnen weichen Teile beliebig zusammensetzen, es gibt keine Einschränkung, was man erreichen kann. Jeder Roboter hat so ein individuelles Magnetisierungsprofil“, sagt Jiachen Zhang. Zusammen mit Ziyu Ren und Wenqi Hu ist er Erstautor der Publikation „Voxelated three-dimensional miniature magnetic soft machines via multimaterial heterogeneous assembly“. Die Arbeit wurde am 28. April 2021 in Science Robotics veröffentlicht.

Das Projekt ist das Ergebnis vieler vorangegangener Arbeiten, die in der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS durchgeführt wurden. Seit vielen Jahren arbeiten die Wissenschaftler*innen dort an kleinen, magnetisch gesteuerten und kabellosen Robotern, die eines Tages in der Medizin eingesetzt werden könnten. Der Maßstab reicht von wenigen Millimetern bis hinunter zu einigen Mikrometern. Die bislang von der Abteilung entwickelten hochmodernen Designs haben in Wissenschaftskreisen weltweit Aufmerksamkeit erregt. Dabei waren sie in ihrer Funktionalität eingeschränkt, da sie nur aus einem einzigen Material hergestellt werden konnten.

„Möchte man weiche Miniaturroboter bauen, dann hat man viele unterschiedliche, oft komplexe Designs. Aufgrund der geringen Größe sind die verfügbaren Fertigungsmöglichkeiten sehr begrenzt. Das stellt uns vor große Herausforderung. Seit Jahren versuchen Forscher*innen, eine innovative Fabrikationsplattform zu entwickeln, die völlig neue Möglichkeiten bietet. Unserem Team ist das nun gelungen. Wir können sehr komplexe Konstrukte bauen, die maßgeschneidert funktionieren. Unser neues Baukastensystem wird den Weg ebnen für viele neue Roboter, von denen einige möglicherweise die minimal-invasiven medizinischen Geräte der Zukunft sein werden“, sagt Metin Sitti, der die Abteilung für Physische Intelligenz leitet. Er ist ein Pionier auf dem Gebiet drahtloser medizinischer und bio-inspirierter Miniaturroboter.

„Bisher haben wir die Voxel aus nur einem Material in 3D gedruckt oder gegossen. Das schränkt ihre Funktionalität ein – was kann schon ein einziges Material?“, sagt Ziyu Ren. „Wenn man wie wir mehr Funktionen möchten und ein einzigartiges Magnetisierungsprofil, dann geht das nur, wenn man verschiedene Materialien miteinander mischt.“

„Bisher war das Magnetisierungsprofil eines jeden Roboters gekoppelt an seine Geometrie und damit limitiert. Jetzt haben wir eine Plattform geschaffen, die ein beliebiges Magnetisierungsprofil ermöglicht. Das ist möglich, weil wir mehrere magnetische Teile frei in ein System integrieren können“, ergänzt Jiachen Zhang.

Die neue Bauplattform ermöglicht viele neue Designs und ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Forschungsgebiet der Soft-Robotik. Die Abteilung für Physische Intelligenz hat bereits eine Vielzahl an Robotern entwickelt: von einem krabbelnden und rollenden, von einer Raupe inspirierten Roboter über ein spinnenartiges Konstrukt, das hoch springen kann, bis hin zu einem nachgebauten Heuschreckenbein und magnetisch gesteuerten Maschinen, die anmutig wie Quallen schwimmen. Die neue Plattform wird diesen Trend beschleunigen. Sie bietet eine Spielwiese neuer Möglichkeiten, um noch modernere weiche Miniaturmaschinen zu bauen.

Die Forschenden stützen jede Konstruktion auf zwei Materialkategorien. Die Basis bildet meistens ein Polymer, das die Matrix zusammenhält. Aber auch andere Arten von weichen Elastomeren kommen hier zum Einsatz, beispielsweise biokompatible Materialien wie Gelatine. Die zweite Kategorie umfasst Materialien, in die magnetische Mikro- oder Nanopartikel eingebettet sind. So wird der Roboter steuerbar, da er auf ein Magnetfeld reagiert.

Die Voxel werden zu Tausenden in einem Schritt hergestellt. Als würde man Teig in einer Muffin-Backform verteilen, kreieren die Wissenschaftler die einzelnen Blöcke mit winzigen Gussformen. Jeder Block ist dabei in etwa 100 Mikrometer klein. Zusammengebaut werden sie von Hand unter dem Mikroskop, denn das automatisierte Zusammensetzen der Partikel ist noch zu komplex. Während die Forscher vor dem Bau jedes Roboters die Form und Funktionalität simulierten, gingen sie bei der Konstruktion nach dem Trial-and-Error Prinzip vor, bis sie mit dem Ergebnis zufrieden waren. Letztendlich strebt das Team jedoch an, die Herstellung zu automatisieren – nur dann können sie die Skaleneffekte nutzen, sollten sie die Roboter eines Tages kommerzialisieren. „Bei unserer zukünftigen Arbeit wird die automatisierte Fertigung einen hohen Stellenwert einnehmen“, sagt Jiachen Zhang. „Was unsere heutigen Roboterdesigns angeht, verlassen wir uns auf unsere Intuition, die auf langjähriger Erfahrung mit verschiedenen Materialien und weichen Robotern basiert.“