Softrobotik Dieses Roboterbein kann hüpfen und springen

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Forschende der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben künstliche, energieeffiziente Beinmuskeln aus elektrohydraulischen Aktoren entwickelt, die mehr Schwung in robotische Beine bringen - auch auf unwegsamen Gelände.

Nach Angaben des Forschungsteams ist es das weltweit erste robotische Bein das von künstlichen elektrohydraulischen Muskeln angetrieben wird und sich automatisch an unebenes Terrain anpasst. Die hierfür eingesetzten „elektronischen Muskeln" seien nach Angabe der Forscher wesentlich energieffizienter als bisher zu diesem Zweck eingesetzte Elektromotoren. Das System erlaube gleichzeitig flexiblere, beweglichere Aktionen wie hohe Sprünge sowie schnelle Bewegungen, ohne dass hierfür komplexe Sensoren notwendig wären.

Angetrieben wird das Bein von weichen, elektrohydraulischen Aktoren. Diese Art von Strom-zu-Bewegung-Wandler verwendet einen mit einer Aktöligen Flüssigkeit gefüllten Beutel mit Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten. Ein hoher Potenzialunterschied zwischen den Elektroden zieht diese zusammen und drückt die Flüssigkeit aus dem Weg.

Diese Wirkung kann auf unterschiedliche Weise physikalisch genutzt werden - zum Beispiel als eine Art robotischer Muskel: Wie bei Mensch und Tier sorgen auch beim Roboterbein ein Streck- und ein Beugemuskel dafür, dass Bewegungen in beide Richtungen möglich sind. Diese elektrohydraulischen Aktoren, die die Forscher HASELs nennen, sind über dehnbare "Sehnen" am robotischen Skelett befestigt.

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Aktoren als Muskelpaare

Wird Spannung an die Elektroden angelegt, ziehen sie sich aufgrund statischer Elektrizität gegenseitig an - je stärker die Spannung, desto stärker die Anziehungskraft. Durch diese Bewegung wird das im Beutel befindliche Öl in andere Bereiche gedrückt und sorgt so für Bewegung. Paare dieser Aktoren, die an einem Skelett befestigt sind, führen zu den gleichen paarweisen Muskelbewegungen wie bei Lebewesen: Wenn sich ein Muskel verkürzt, verlängert sich sein Gegenstück.

Über einen Computercode, der mit Hochspannungsverstärkern kommuniziert, steuern die Forschenden, welche Aktoren sich zusammenziehen und welche sich verlängern sollen. Der Vorteil an dieser Methodik ist, dass sich die so konzipierten „Muskeln“ schnell strecken oder beugen lassen. Das erlaubt einen stabileren Gang auch auf unebenem Terrain sowie komplexere, plötzliche Bewegungen wie etwa Sprünge. Nur wenn der Bewegungsapparat genügend Elastizität aufweist, kann er sich agil an das jeweilige Terrain anpassen. „Das ist bei Lebewesen nicht anders. Wenn wir zum Beispiel unsere Knie nicht beugen können, haben wir große Schwierigkeiten, auf einer unebenen Oberfläche zu gehen“, sagt Robert Katzschmann vom Soft Robotics Lab der ETH Zürich . „Man denke nur an die Stufe vom Gehweg auf die Straße.“

Während ein Sensor dem Elektromotor ständig mitteilen muss, in welchem Winkel sich das Roboterbein befindet, passt sich der künstliche Muskel adaptiv durch die Interaktion mit der Umgebung an. Als Antrieb erhält er konstant die gleichen zwei Eingangssignale: eines für die Beugung und eines für die Streckung des Gelenks.

„Die Anpassungsfähigkeit an das Terrain ist ein zentraler Aspekt," erläutert Toshihiko Fukushima, Doktorand und Co-Autor der begleitenden Studie. „Wenn eine Person in die Luft springt und landet, muss sie sich nicht erst überlegen, ob sie ihre Knie im 90- oder im 70-Grad-Winkel beugen soll.“ Dasselbe Prinzip gelte für das mit den künstlichen Muskeln ausgestattete Roboterbein: Ist die Umgebung weich, erreicht das Roboterbein einen anderen Gelenkwinkel als bei hartem Untergrund.

Bessere Energieeffizienz, beschränkter Bewegungsradius

Die Forschenden haben Ihre Erkenntnisse in einer Studie im Fachblatt Nature Communications veröffentlicht. In ihr führen Sie aus, dass die hydroelektrischen Aktoren gegenüber bislang in ähnlichen Robotern eingesetzten Elektromotoren diverse Vorzüge aufweisen.

So sei die Technik deutlich energieeffizienter: Wärmebilder zeigen, dass beim Betreiben von Elektromotoren eine unnötige Menge von Energie Wärme umgewandelt und abgegeben wird. Im elektrohydraulisch angetriebenen Bein bliebe die Temperatur hingegen stetig gleich. Da auch keine Kühlung notwendig ist, fallen zusätzliche Aggregate wie Wärmetauscher oder Ventilatoren weg. Das wirke sich ebenfalls positiv auf die Energiebilanz aus und könnte eine leichtere Bauweise ermöglichen.

Allerdings befindet sich die Technologie derzeit noch in einem Anfangsstadium - das Forschungsfeld zu elektrohydraulischen Aktoren existiert erst seit etwa sechs Jahren. Demgemäß weist das System noch wesentliche Beschränkungen auf. „Das Bein ist derzeit an einer Stange befestigt, springt im Kreis und kann sich noch nicht frei bewegen“, sagte Kretzschmann. Im Vergleich zu Laufrobotern, die bereits einen recht großen Aktionsspielraum aufweisen können, ist das elektrohydraulisch betriebene System derzeit noch sehr begrenzt.

Zukünftige Arbeiten sollen diese Einschränkungen überwinden, so dass echte Laufroboter mit künstlichen Muskeln entwickelt werden können. Zu den möglichen Anwendungsgebieten könnten demnach batteriebetriebene Rettungsroboter zählen, die sich frei auch durch unwegsames Gelände bewegen können.

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(sg)

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