Robotik Soft-Roboter im Origami-Stil fliegt ohne Motor 

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Bisher schränken starre Antriebssysteme das enorme Potenzial weicher Roboter in der Medizin und Industrie erheblich ein. Ein Forscherteam aus Princeton überwindet diese Hürde nun mit motorlosen Hybridrobotern.

Dank ihrer Fähigkeit, ihre Form zu verändern und empfindliche Objekte zu handhaben, könnten weiche Roboter als medizinische Implantate eingesetzt werden, Medikamente im Körper verabreichen und bei der Erkundung gefährlicher Umgebungen helfen. Doch die weichen Maschinen sind oft durch starre mechanische Teile oder externe Systeme eingeschränkt, die sie mit Energie versorgen oder bei der Fortbewegung unterstützen.

Demo-Kranich fliegt ohne Motor

Nun haben Ingenieure in Princeton weiche und starre Hybridroboter entworfen und gebaut, die sich ohne Motoren oder externe pneumatische Steuerungen bewegen und verformen können. Dazu kombinierte das Team ein druckbares Polymer, ein sogenanntes Flüssigkristall-Elastomer, mit flexibler Elektronik und Falttechniken, die auf der Kunst des Origami basieren. In einem Artikel berichtete ein Forschungsteam unter der Leitung der Professoren Emily Davidson und Glaucio Paulino, dass es mit einem 3D-Drucker einen rekonfigurierbaren weichen Roboter hergestellt habe, der sich wiederholt bewegen konnte, ohne dass eine merkliche Verschlechterung auftrat.

Zur Demonstration bauten die Forscher einen weichen Roboter in Form eines Kranichs, einer klassischen Origami-Figur, der mit Strom betrieben seine Flügel schlägt. Der Kranich bewegt sich ohne Motor – stattdessen beruht die Bewegung des Roboters auf einer gezielten Erwärmung des Polymers, um das Flügelschlagen zu steuern. Das Experiment zeigte auch, dass sich der weiche Roboter aus Princeton präzise und wiederholt bewegen und ohne Verschleiß oder Verformung in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, und zwar mit in Echtzeit programmierbaren Abläufen – ein entscheidendes Merkmal für zukünftige Anwendungen. 

Zur Demonstration bauten die Forscher einen weichen Roboter in Form eines Kranichs, einer klassischen Origami-Figur, der mit Strom betrieben seine Flügel schlägt. Der Kranich bewegt sich ohne Motor – stattdessen beruht die Bewegung des Roboters auf einer gezielten Erwärmung des Polymers.

Scharniere biegen sich vorprogrammiert bei Erwärmung 

Das System beginnt damit, dass ein geschmolzenes Polymer mit Davidsons maßgeschneidertem 3D-Drucker in strukturierte Zonen gedruckt wird. Trotz seiner Flexibilität handelt es sich bei dem von den Forschern verwendeten Polymer um ein Flüssigkristall-Elastomer, was bedeutet, dass seine inneren Moleküle eine geordnete Struktur aufweisen. Davidsons Gruppe ist darauf spezialisiert, die Struktur von Flüssigkristall-Elastomeren durch molekulares Design zu steuern und die Nanostruktur von Polymeren durch den Druckprozess zu kontrollieren.

Die Forscher programmierten den Drucker so, dass er die interne Ausrichtung der Molekülstruktur des Polymers während des Druckvorgangs variierte. Jede der strukturierten Zonen im gedruckten Material weist eine einheitliche molekulare Ausrichtung auf. Durch das Übereinanderstapeln dieser Zonen und deren Verbindung auf unterschiedliche Weise gelang es den Forschern, Scharniere im Material zu erzeugen, die sich bei Erwärmung des Materials auf vorprogrammierte Weise biegen. 

Leiterplatten steuern die Beheizung, die die Bewegung antreibt

Im Rahmen des Druckvorgangs fügten die Forscher den Scharnieren im Material zudem flexible Elektronik hinzu. Dank der flexiblen Struktur der Leiterplatten konnten die Forscher diese direkt in das Druckmaterial einbetten, anstatt die Schaltkreise in einem separaten Schritt aufzubringen. Dies vereinfacht die Herstellung und ermöglicht eine größere Konsistenz sowie eine bessere funktionale Integration der Schaltkreise in den Roboter.

Einmal eingebettet, ermöglichen diese Leiterplatten den Forschern, ganz bestimmte Bereiche der Polymerstruktur zu erwärmen und mithilfe eingebetteter Temperatursensoren eine Regelung durchzuführen. Diese Erwärmung nutzt die sorgfältig strukturierte Polymerstruktur aus und bewirkt, dass sich das Material auf eine Weise zusammenzieht, die die Ingenieure beim Polymerdruck programmieren. Diese Kontraktionen lösen ein Falten entlang der Gelenke aus. Um sicherzustellen, dass sich das Material nur an den Gelenken faltet, fügten die Forscher leichte Glasfaserplatten zu den flexiblen Leiterplatten zwischen den Polymergelenken hinzu.

Falt- und Entfaltungssysteme steuern Bewegung der Soft-Roboter

Die Forscher nutzten aus Origami-Mustern abgeleitete mathematische Verfahren, um die Bewegung der Roboter auf der Grundlage von Falt- und Entfaltungssystemen zu steuern. Paulinos Forschungsteam hat Pionierarbeit bei der Verwendung von Origami zur Konstruktion von medizinischen Implantaten, Bauteilen und Robotern geleistet. Zu den jüngsten Projekten gehören segmentierte weiche Roboter, die Origami-Systeme nutzen, um komplexe Wege zu navigieren, Roboter, die ihre Form verändern und sich in einem Magnetfeld adaptiv neu konfigurieren können, sowie programmierbare Systeme, die Informationen verschlüsseln und als mechanische Computer fungieren können. Paulino erklärte, ein wichtiges Merkmal des Designs sei, dass die zur Steuerung des Roboters verwendete Software eingebettete Temperatursensoren im Origami nutzt, um kleine Fehler auszugleichen, die sich in das System einschleichen, wenn der Roboter wiederholt seine Form ändert. Paulino sagte, die Fähigkeit, diese Fehler zu korrigieren, sei entscheidend für die Langlebigkeit von weichen Robotern.

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