Wissenschaftler entwickeln eine weiche und skalierbare Roboterhand auf Basis verschiedener Materialien.

2. September 2023 feature

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von Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Roboter auf der Basis weicher Materialien sind oft besser darin, das Aussehen, die Bewegungen und die Fähigkeiten sowohl von Menschen als auch von Tieren nachzubilden. Obwohl es mittlerweile unzählige weiche Roboter gibt, ist die Produktion vieler dieser Roboter in großem Maßstab schwierig, aufgrund der hohen Kosten ihrer Komponenten oder ihres komplexen Herstellungsprozesses.

Forscher an der Universität Coimbra in Portugal haben kürzlich eine neue weiche Roboterhand entwickelt, die möglicherweise günstiger und einfacher herzustellen ist. Ihre Konstruktion, vorgestellt in Cyborg and Bionic Systems, integriert weiche Aktoren mit einem Exoskelett, die beide mit skalierbaren Techniken hergestellt werden können.

"Die meisten Roboter bestehen aus starren Materialien", sagt Pedro Neto, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, zu Tech Xplore. "Wenn wir jedoch Tiere beobachten, stellen wir fest, dass ihr Körper aus harten Teilen (Skelette) und weichen Teilen (wie Muskeln) bestehen kann. Einige Tiere, wie Regenwürmer, haben einen komplett weichen Körper. Inspiriert von der Natur gehen wir davon aus, dass die nächste Generation von Robotern Komponenten aus weichen Materialien oder in einigen Fällen komplett weiche Körper aufweisen wird."

Weiche Roboter-Systeme könnten im Vergleich zu starren Robotern sicherer sein und sowohl im Freien als auch in Innenräumen besser mit Menschen oder Tieren koexistieren. Wenn sie zum Beispiel mit Menschen, Tieren oder Objekten in ihrer Umgebung kollidieren, ist es unwahrscheinlicher, dass diese Roboter erheblichen Schaden oder Verletzungen verursachen.

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Neto und seinen Kollegen war die Entwicklung einer neuen weichen Roboterhand, die sowohl sicher als auch erschwinglich ist. Eine solche Hand wäre theoretisch einfacher auf großem Maßstab einzusetzen und könnte somit neue Forschung und Innovationen auf dem Gebiet der Robotik vorantreiben.

"Wir haben die Finite-Elemente-Analyse genutzt, um das Design vor der physischen Herstellung der Hand zu optimieren und Prototypenkosten zu reduzieren", erklärt Neto. "Der Einsatz von regulärem 3D-Druck erwies sich als effektiv, indem einige Komponenten direkt aus weichen Materialien gedruckt wurden und Formen aus starren Materialien gedruckt wurden."

Die von Neto und seinen Kollegen entwickelte weiche Roboterhand basiert auf verschiedenen Materialien. Ihre sorgfältig gestaltete Struktur sollte das Aussehen und die Funktionalität menschlicher Hände nachahmen und ihre Bewegungen und Fähigkeiten reproduzieren.

"Die Konfiguration der Roboterhand besteht aus fünf weichen Aktoren, die jeweils einem Finger entsprechen, und einem Exoskelett, um die Biegsamkeit der Finger zu fördern", sagt Neto. "Ein Ein-Aus-Regler hält die spezifizierten Finger-Biegewinkel ein, so dass die Hand Gegenstände unterschiedlicher Formen, Gewichte und Abmessungen effektiv greifen kann."

Die Forscher haben die Leistung ihrer Roboterhand bisher in einer Reihe von Simulationen und Experimenten bewertet. Die ersten Ergebnisse sind äußerst vielversprechend, da die Hand erfolgreich zahlreiche Objekte unterschiedlicher Formen, Gewichte und Größen greifen konnte.

"Der Hauptbeitrag ist das integrierte Design-Herstellungs-System, das die Finite-Elemente-Analyse nutzt, um das Design vor der physischen Herstellung zu optimieren", sagt Neto. "Dieser Erfolg hat das Potenzial, den Zugang zu weichen Roboterhänden zu erhöhen, die Kosten zu senken und die typischerweise zeitintensiven Design-Herstellungs-Verfahren zu eliminieren, die häufig auf ressourcenintensiven iterativen Workflows basieren."

In Zukunft könnte die von diesem Forscherteam entwickelte weiche Roboterhand von akademischen Teams und einzelnen Robotikern gleichermaßen genutzt werden, um neue Künstliche Intelligenz (KI)-Algorithmen und andere rechnergestützte Werkzeuge zu testen, die auf die Verbesserung der Robotik abzielen. Darüber hinaus könnte ihr Design neue Möglichkeiten für kostengünstige Herstellung von humanoiden Robotern eröffnen, die Menschen bei ihren alltäglichen Aktivitäten unterstützen können.

"Unsere nächsten Studien werden sich darauf konzentrieren, die Herstellung von weichen Aktoren und Sensoren zu verbessern, um den Zugang zu weichen Robotern einem breiteren Publikum zu ermöglichen", fügt Neto hinzu. "Die Steuerung von weichen Robotern mit künstlicher Intelligenz ist ein weiteres Forschungsthema, an dem wir arbeiten."