Ein origami-inspiriertes universell verformbares Modul für Robotikanwendungen.

12. August 2023

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Korrekturgelesen von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Modulare Roboter - Robotersysteme, die ihre Körperkonfiguration anpassen können, um den Fortbewegungsstil zu ändern oder sich auf verschiedenen Geländen zu bewegen - können für Missionen in unterschiedlichen Umgebungen äußerst vorteilhaft sein. In den letzten zehn Jahren haben Ingenieure eine Vielzahl modularer Roboter entwickelt, die auf verschiedenen Designs und zugrunde liegenden Mechanismen basieren.

Ein Forschungsteam der Westlake University und der Zhejiang University in China hat kürzlich ein neues modulares Roboterdesign eingeführt, das sich von der Origami-Papierfaltkunst inspirieren lässt, insbesondere von einer Origami-Faltung, die als Kresling-Muster bekannt ist. Ihr Design, das in einem Artikel in Nature Communications vorgestellt wurde, basiert auf neu eingeführten universell verformbaren Modulen, die umgestellt werden können, um verschiedene Formen und Konfigurationen zu erzeugen.

"Es gab bereits einige Versuche, das Kresling-Muster zur Entwicklung von multimodalen Roboterarmen zu verwenden", sagte Hanquing Jiang, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore. "Die bisherigen Methoden basieren jedoch ausschließlich auf dem Kresling-Muster selbst. Dadurch sind die Verformungsmodi durch die gekoppelten Verdrehungs- und Kontraktionsmodi begrenzt. Das Hauptziel besteht darin, das klassische Kresling-Muster zu modifizieren und neue Verformungsmodi zu erzeugen."

Im Kontext von Origami besteht das Kresling-Muster aus abwechselnden Berg- (d. h. hervorstehenden) und Talfalten (d. h. eingesunken), die entlang gegenüberliegender Verdrehtrichtungen geneigt sind. Mit diesem Muster lassen sich komplexe Formen erzeugen, die Mustern in der Natur ähneln, wie die auf den Flügeln von Schwärmerfaltern oder die spiraligen Geometrien auf Kiefernzapfen.

Im Rahmen ihrer Studie versuchten Jiang und seine Kollegen, dieses spezielle Origami-Muster zu verwenden, um eine modulare verformbare Einheit zu schaffen, die an verschiedene Formen angepasst werden kann. Das von ihnen entwickelte Modul wird von Pneumatik angetrieben, Systemen, die auf Gas oder Druckluft zur Erzeugung verschiedener Bewegungen beruhen.

"Die Einheit besteht aus einem zweistufigen Kresling-Muster mit entgegengesetzten Verdrehungsrichtungen auf jeder Stufe", erklärte Jiang. "Noch wichtiger ist, dass es auf jeder Stufe zwei Seitentaschen auf den gegenüberliegenden Seiten gibt. Somit können wir je nachdem, wie die Seitentaschen unter Druck gesetzt werden, wenn die Hauptkammer evakuiert wird, verschiedene Verformungsmodi erreichen."

Das von den Forschern eingeführte neue Modul kann seine Form je nach dem auf ihn ausgeübten Druck ändern und dadurch Formen erzeugen, die den Anforderungen bestimmter Anwendungsszenarien entsprechen. Insgesamt kann es sieben verschiedene Bewegungsmodi in Robotern mit einem einzigen Origami-Modul erzeugen, darunter drei grundlegende Bewegungen und vier neue Kombinationen dieser Grundbewegungen.

"Unsere zweistufige Einheit ist ein universelles Deformationsmodul, das alle möglichen Verformungsmodi je nach den angewendeten spezifischen Druckschemas erreichen kann", sagte Jiang. "Das Modul ist wie unsere Arme, die alle Verformungsmodi beherrschen (Kontraktion/Extension, Verdrehung, Biegung), je nachdem, wie die Nerven die Muskeln steuern. Die Druckschemas der Einheit sind wie unsere Nerven und das universelle Modul übernimmt die Rolle unseres Arms. Dieser auf Origami basierende Roboterarm würde als starres Roboterarm mit sechs Freiheitsgraden funktionieren."

Die Forscher bewerteten ihr durch Origami inspiriertes verformbares Modul in einer Reihe von Simulationen und realen Experimenten. Die gewonnenen Ergebnisse waren äußerst vielversprechend und betonten das Potenzial zur Entwicklung modularer Roboter, die sich an ihre Umgebung anpassen und sich auf verschiedene Arten bewegen können.

Bemerkenswerterweise kann das Modul auch während des Betriebs eines Roboters neu zusammengesetzt werden, was es ideal für komplexe Missionen in der realen Welt macht, die schnelle Anpassungen an Umweltveränderungen erfordern. In Zukunft könnte diese Arbeit somit den Weg für anspruchsvollere Soft-Roboter ebnen, die stärker auf ihre Umgebung reagieren.

"In meinen nächsten Arbeiten plane ich, diese Struktur für praktischere Anwendungen wie das Greifen großer Gegenstände zu nutzen", fügte Jiang hinzu.

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