Cornell-Wissenschaftler entdecken einen innovativen Weg, um die Kapazität weicher Robotik durch Viskosität zu erhöhen

Soft-Robotik ist ein faszinierendes Studienfach mit dem Potenzial, die Art und Weise, wie wir über Robotik denken, zu verändern. Weiche Roboter werden im Gegensatz zu herkömmlichen Robotern aus gummiartigen Materialien gebaut, die Muskeln und Haut ähneln, und nicht aus harten Materialien wie Metall und Kunststoff. Sie sind zu Mimikry und unabhängiger Bewegung fähig.

Einem Forscherteam des Collective Embodied Intelligence Lab der Cornell University gelang im Januar ein Durchbruch in der Soft-Robotik, indem es ein System entwickelte und simulierte, das die Flüssigkeitsviskosität nutzt. Die Gruppe unter der Leitung von Prof. Kirsten Petersen entwickelte ein Roboterglied mit einem außergewöhnlichen Bewegungsbereich unter Verwendung winziger Röhren und eines Balgsystems.

Der Flüssigkeitsfluss durch Rohre und Ventile wird häufig in der Softrobotik verwendet, um Bewegung zu erzeugen. Die Viskosität oder der Strömungswiderstand einer Flüssigkeit verlangsamt ihre Bewegung. Herkömmliche weiche Roboterbewegungen sind unvorhersehbar. Das liegt an dieser Verzögerung. Daher konstruieren Forscher häufig weiche Roboter mit großen Röhren, um eine übermäßige Viskosität zu reduzieren. Petersens Team hingegen nutzte die Viskosität als Antriebskraft für die Bewegungen des Roboters.

Wenn Luft mit einer Spritze durch die Schläuche gedrückt wird, kann sich das vom Team entwickelte Glied der Kerneinheit bewegen. Die Vorrichtung besteht aus zwei Faltenbälgen. Sie ähneln Ballons, die durch unglaublich dünne Schläuche verbunden sind, zusammen mit einer Spritze, die den Balg aufblasen oder entleeren kann. Die Viskosität wird durch die geringe Größe der Rohre verursacht.

Die Balgpakete verdrehen sich in verschiedene Richtungen, je nachdem, wie die Luft aufgrund der ungleichmäßigen Druckverteilung, die durch diese Verzögerung der Bewegung entsteht, diffundiert. Mit sorgfältiger Druckkontrolle und nur einer Spritze, die Flüssigkeit zuführt, ist ein grenzenloser Bewegungsbereich möglich.

Der Hauptautor des Papiers, Yoav Matia, erstellte ein Vorhersagemodell, das die komplizierten Details der Bewegung verdichtete. Das mathematische Modell analysierte sorgfältig die zugrunde liegenden physikalischen Ereignisse. Matia erstellte das Modell von Grund auf, indem er komplexe physikalische Theorien wie die viskose dynamische Theorie mit den Eigenschaften der Materialien verschmolz.

Balgkonfigurationen, Flüssigkeitseigenschaften, Flüssigkeitszufuhr, Viskosität und Anfangsdruck waren die einzigen fünf experimentell modifizierbaren Faktoren, die unvermeidlich die Bewegungsmuster der Gliedmaßen verändern würden. Sie sind einzeln wirksam und können beliebig kombiniert werden.
Soft-Robotik bietet eine breite Palette möglicher Anwendungen, und mit der Entwicklung der Robotiktechnologie zieht sie aufgrund ihrer eingebauten Funktionalität, Einfachheit und Sicherheit mehr Interesse auf sich. Die Studie von Petersens Team skizziert einen genauen weiteren Kurs.

Im Laufe der Zeit führt die Verwendung von kleinen Schläuchen des Balgsystems auch zu einer erhöhten Bewegungsflexibilität. Während der Zyklus fortschreitet, nimmt die Flüssigkeit der Gliedmaßenbewegungen die Eigenschaften eines Schlaganfalls an, und Änderungen im Tempo können verwendet werden, um verschiedene Bewegungsmuster zu erzeugen.

Andere Feldforscher werden die Formel haben, der sie folgen müssen, um ihre weichen Roboter zu bauen, wenn diese Parameter zusammen mit dem Modell identifiziert werden. Mit den Worten von Petersen: „Hier ist eine völlig neue Form von Soft-Robotern, die wir noch nie zuvor gesehen haben, und hier ist all das grundlegende Wissen, das Sie brauchen, um mit der Wissenschaft in diesem Bereich zu spielen.“

Ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich medizinischer Ausrüstung und Such- und Rettungsmissionen, bietet ein großes Potenzial für Softrobotik. Roboter können anpassungsfähiger, flexibler und sicherer sein, wenn in der Robotik weiche Materialien verwendet werden. Die Zukunft weicher Roboter ist dank der bahnbrechenden Arbeit von Petersens Team vielversprechend.