Roboter-Design mit raffinierten Modulen (original) (raw)

Die Konstruktionen können wahlweise heben, rollen, hüpfen oder werfen: Forschende haben „muskulöse“ Sechseck-Bauteile entwickelt, die sich nach dem LEGO-Prinzip zu vielseitigen Robotern verknüpfen lassen. Die Einheiten können dabei durch Magnete an ihrem Exoskelett mechanisch und elektrisch miteinander gekoppelt werden. Kraft verleiht den sogenannten HEXEL-Modulen ein von der Natur inspiriertes System aus elektrohydraulischen „Kunst-Muskeln“. Durch das Konzept lassen sich besonders leichte Roboter mit unterschiedlichen Fähigkeiten konfigurieren, die etwa bei Weltraum- oder Rettungsmissionen zum Einsatz kommen könnten, sagen die Entwickler.

Raffinierte Robotik-Systeme können dem Menschen bekanntlich bereits bestimmte Arbeiten abnehmen oder spezielle Aufgaben erledigen. Für einige Anwendungen wären allerdings vielseitigere Konzepte wünschenswert – Roboter, die sich spontan an neue Herausforderungen und Aufgaben anpassen können. Ein vielversprechender Ansatz sind dabei aus Modulen aufgebaute Systeme, die sich schnell zu neuen Konfigurationen umgestalten lassen. Solche Konzepte wurden bereits entwickelt, es besteht allerdings weiterhin Optimierungsbedarf. Denn die bisherigen Entwicklungen sind meist kompliziert und durch die Verwendung von Gleichstrommotoren relativ schwer sowie energiehungrig.

Muskulöse Hexagonal-Einheiten

Das neue System, das nun Forschende vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart (MPI-IS) präsentieren, ist dagegen vergleichsweise „schlank“. Es basiert auf Modulen, die aus sechs leichten Glasfaser-Plättchen gebildet werden, die über flexible Gelenk-Stellen miteinander verbunden sind. An ihnen setzten statt Motoren elektrohydraulische Beutel an, die die starren Elemente bewegen – ähnlich wie bei Tieren die Muskeln die Knochen. Durch Anlegen von Spannung an das Modul ziehen sich die unterschiedlich polarisierten Wände im oberen Teil der Kunst-Muskel-Beutel aufgrund von elektrostatischer Anziehungskraft zusammen. Dabei wird dann Flüssigkeit verlagert, wodurch sich die Kunst-Muskeln verkürzen.

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Video: Ein HEXEL-Modul springt hoch in die Luft. © Darrell J. Irvine

Bei den sogenannten HEXEL-Modulen führt dies zu einer Beugung der Gelenke zwischen den Glasfaser-Plättchen, sodass sie ihre Form von lang und schmal zu breit und flach ändern. Wie die Forschenden demonstrieren, ermöglicht die elektrostatische An- und Endspannung eine sehr schnelle Formänderung der HEXEL-Module. Die Bewegung ist dabei so schlagartig, dass sie auf das Vierfache ihrer eignen Größe hochspringen können. Außerdem lässt sich der Effekt nutzen, um einen Ball in die Luft schnellen zu lassen, zeigen die Entwickler.

HEXEL-Module können einen Schleuder-Effekt bewirken. © MPI-IS / Wolfram Scheible

Gestaltungsmöglichkeiten nach dem LEGO-Prinzip

Besonders kraftvoll und vielseitig einsetzbar werden die HEXELs allerdings durch die Verknüpfung zu komplexen Einheiten. Dies wird durch Magnete möglich, die das Team in die sechs Glasfaser-Plättchen jedes Moduls integriert hat. Über die Anziehungskraft können diese dann nach dem LEGO-Baustein-Prinzip zu verschiedenen Formationen zusammensetzt werden. Dabei lassen sie sich auch elektrisch koppeln, sodass die Aktivierungsspannung an bestimmte Funktionseinheiten übertragen werden kann. „Indem wir mehrere Module miteinander verbinden, können wir neue Robotergeometrien schaffen und sie für unterschiedliche Anforderungen wiederverwenden“, sagt Co-Erst-Autorin Ellen Rumley vom MPI-IS.

Die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten demonstrieren die Forschenden im Rahmen der Studie bereits durch einige Bespiele. Sie zeigen etwa, wie durch Verbände von HEXELs eine Kombinationskraft gebildet werden kann, die das Anheben von Gewichten ermöglicht. Durch die partielle Aktivierung bestimmter Teile einer Konstruktion lassen sich auch angebrachte Bauteile auslenken. Außerdem können HEXEL-Konstruktionen, die in spezieller Weise rhythmisch bewegt werden, wie Raupen durch enge Räume kriechen, demonstrieren die Forschenden. Wie sie berichten, haben sie auch bereits ein kleines Spannungsgeber-Modul entwickelt, das über Magnetkraft an die Konstruktionen geheftet werden kann und somit einen kabellosen Betrieb ermöglicht.

Noch mehr Anwendungspotenzial könnte sich durch die Verbindung mit zusätzlichen Bauteilen ergeben, verdeutlicht eine weitere Konstruktion: Dabei haben die Forschenden aus vier HEXELs eine rundliche Konfiguration gebildet, die über Magnetkraft zusätzlich mit bogenförmigen Schienen ausrüstetet wurde. Dieses Gebilde konnte sich dann sehr effizient rollend fortbewegen. Durch ruckartige Bewegungen überwand dieser HEXEL-Roboter dabei auch problemlos die Unebenheiten einer Sandoberfläche.

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Video: Mehrere HEXEL-Module in Kombination mit bogenförmigen Schienen bilden einen Roboter, der über Sand und Steine rollen kann. © Darrell J. Irvine

Den Entwicklern zufolge zeichnet sich in den Ergebnissen interessantes Anwendungspotenzial für das Konzept ab: „Es ist weitaus nachhaltiger, einen rekonfigurierbaren Roboter zu nutzen, als verschiedene Roboter für verschiedene Zwecke zu bauen. Insbesondere in Ressourcen-beschränkten Umgebungen kann das sehr von Vorteil sein“, sagt Co-Erst-Autor Zachary Yoder vom MPI-IS abschließend.

Quelle: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, Fachartikel: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.adl3546