Robotik Elektrohydraulische Gelenke ermöglichen springende Spinnenroboter

Redakteur: Alina Hailer

Ein Roboter, der sich um das Zehnfache seiner Höhe hochkatapultieren kann – das hat ein Team von Forschern des Max-Planck-Instituts mit von Spinnenbeinen inspirierten Gelenken realisiert.

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SES-Verbindungen können kombiniert werden, um verschiedene Arten von Roboterstrukturen zu erstellen, wie zum Beispiel einen vierbeinigen Roboter, der wie eine Spinne aussieht.
SES-Verbindungen können kombiniert werden, um verschiedene Arten von Roboterstrukturen zu erstellen, wie zum Beispiel einen vierbeinigen Roboter, der wie eine Spinne aussieht.
(Bild: Max-Planck-Institut)

Ein Forscherteam hat in einem Gelenkroboter ein Spinnengelenk nachgebildet, das ohne Komponenten und Verbindungsstücke auskommt, die den Roboter beschweren oder unbeweglich machen könnten. Das ist das Ergebnis einer Forschungsarbeit von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der University of Colorado Boulder.

Die einfachen Gelenkstrukturen sind in der Lage, den filigranen Roboter um das Zehnfache seiner Höhe hochzukatapultieren. Die hohe Sprungkraft wird möglich durch sogenannte von Spinnen inspirierte elektrohydraulische Soft-Actuated-Joints – kurz SES-Gelenke.

Greifhand aus SES-Gelenken

Die Gelenke setzen die Forscher in vielen verschiedenen Konfigurationen ein. 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 eine komplette Greifhand mit drei Fingern bauen können. Die Roboterhand kann zerbrechliche Gegenstände aufheben und bewegen, ohne dabei etwas kaputt zu machen.

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.

Wie lassen sich die Gelenke bewegen?

Die Gelenke bestehen aus einem weichen Beutel, der aus dünner Kunststofffolie – zum Beispiel Polyester oder Polypropylen – hergestellt wird. Diesen füllen die Forscher mit einer elektrisch insulierenden Substanz. Hierfür wird ein einfaches Pflanzenöl genutzt. 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.

Die Gelenke sind sehr einfach und leicht, da es keine peripheren Komponenten gibt, die den Roboter beschweren. Die von Spinnen inspirierten Gelenke sind leistungsstark, verbrauchen wenig Energie, und sind einfach herzustellen. Zudem lassen sich für die Herstellung auch Kunststoffe verwenden, mit denen Lebensmittel, beispielsweise Chips-Tüten, verpackt werden. 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.

Die Greifhand mit drei Fingern ist eine Anwendung, mit der das Team die Vielseitigkeit der SES-Gelenke unter Beweis stellt. Hier zeigt sich auch der Vorteil, dass es keine peripheren Komponenten gibt. Hätte das Team den Greifer stattdessen mit künstlichen Muskeln ausgestattet, wären diese im Weg, wenn die Robotik-Hand ein Objekt greift. Die SES-Gelenke hingegen benötigen weitaus weniger Platz.

Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten denkbar

Einen Spinnenroboter zu bauen war anfänglich nicht das primäre Ziel. Es sollte vielmehr ein modernes, vielseitiges Gelenk entwickelt werden, das man in jede Art von Roboter einbauen kann. Besonders für kleine Robotersysteme, die nur wenige Zentimeter groß sind, bei denen der begrenzte Platz die Wahl des Antriebs stark einschränkt, könnten SES-Gelenke in Zukunft sehr nützlich sein.

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