Humanoide Roboter: Künstlicher Muskel bewegt und „fühlt“ zugleich
Wissenschaftler haben die Funktion eines biologischen Muskels künstlich nachempfunden und motorische und sensorische Fähigkeiten in ihm kombiniert.
(Bild: aboutstock/Shutterstock.com)
Ein Ingenieursteam des College of Engineering der Seoul National University hat einen künstlichen Muskel für humanoide Roboter entwickelt, der Gelenke von Robotern bewegen kann und zugleich in der Lage ist, interne Kräfte und Längenveränderungen in Echtzeit zu messen. Der „intelligente künstliche Muskel“, wie ihn die Forscher selbst bezeichnen, besteht im Wesentlichen aus einer Struktur mit zwei aus flüssigem Metall bestehenden Kanälen, in die je ein spezielles Flüssigkristall-Elastomerer (Liquid crystal elastomer – LCE) integriert ist. Eins davon wird über angelegten Strom erwärmt, zieht sich zusammen und dehnt sich wieder aus. Das andere misst den Zustand des Muskels.
Herkömmlicherweise sind bei Robotern, die von künstlichen Muskeln oder Aktuatoren in Bewegung versetzt werden, die Antriebsfunktionen von den sensorischen Systemen voneinander getrennt. Entsprechend müssen Sensoren erst aufwendig über Steuerungssysteme mit dem Antriebssystem verbunden werden. Biologische Muskeln vereinen dagegen die gleichzeitige Verarbeitung motorischer Signale über das somatische und sensorischer Signale über das sensorische Nervensystem. Die Forscher wollten davon inspiriert einen künstlichen Muskel entwerfen, der ähnlich wie sein biologisches Vorbild funktioniert, um so Roboter anzutreiben, die feinfühliger agieren und ihre Umgebung sensitiv wahrnehmen können. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der Studie „Bio‐Inspired Artificial Muscle‐Tendon Complex of Liquid Crystal Elastomer for Bidirectional Afferent‐Efferent Signaling“ zusammengefasst, die in Advanced Materials erschienen ist.
Zwei Elastomere mit unterschiedlichen Aufgaben
Der künstliche Muskel besteht aus einer Struktur mit zwei aus Flüssigmetall bestehenden Kanälen, die in gewissem Maße parallel zueinander verlaufen. In den Kanälen befinden sich isotropes und nematisches LCE, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Das eine Material übernimmt dabei die Funktion als Aktuator, der sich durch angelegten Strom erwärmt, zusammenzieht und bei Abkühlung seine ursprüngliche Form wieder annimmt. Dadurch kann er Gelenke bewegen. Das andere LCE dient als Sensor. Er nimmt den Kontraktionszustand in Echtzeit wahr, misst etwa die entstehende Kraft und Länge, sodass der künstliche Muskel präzise angesteuert werden kann, ohne dass weitere externe Sensorik benötigt wird.
Die Forscher ordneten ihren künstlichen Muskel als antagonistisches Muskelpaar bestehend aus einem ausführenden Muskel und einem Gegenspieler an und integrierten ihn in robotische Finger und Greifsysteme. Dabei wiesen die Wissenschaftler nach, dass die Greifer Objekte behutsam aufnehmen und zugleich deren Größe und Festigkeit wahrnehmen und autonom darauf reagieren können. Das Muskelsystem kann durch die antagonistische Anordnung präzise in ihrer Kontraktion und Anspannung gesteuert werden.
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Die Forscher wollen den künstlichen Muskel nun in weiteren Forschungsarbeiten verbessern. Darunter fallen etwa strukturelle Optimierungen und die aktive Kühlung des Muskels zur schnelleren Rückformung. Der Muskel könnte in einem breiten Anwendungsfeld genutzt werden, etwa bei humanoiden (Soft-)Robotern und bei medizinischen Anwendungen.
(olb)
