Softroboter: Komplexe Bewegungen mit flüssigkeitsbetriebenen Aktuatoren

Ein Forschungsteam der Cornell University hat ein einfaches System flüssigkeitsbetriebener Aktuatoren entwickelt, das es Softrobotern ermöglicht, komplexe Bewegungen auszuführen. Dabei konnten sie das größte Problem bei solchen Aktuatoren lösen: die Trägheit der Bewegungen zu überwinden.

Flüssigkeitbetriebene Aktuatoren, die etwa Beine eines Softroboters bewegen, funktionieren dadurch, dass eine unter gleichmäßigem Druck stehende Flüssigkeit in eine Kammer aus einem Elastomer fließt und die Kammer etwa erweitert. Der Aktuator ist mechanisch so aufgebaut, dass er dann eine vorbestimmte Bewegung vollzieht, sich beispielsweise in eine Richtung biegt. Das kann in Abhängigkeit der internen Strömung zu einem trägen Verhalten führen, sodass der Roboter sich etwa nur langsam fortbewegen kann. Die Forschenden der Cornell University haben sich dieses Problems in ihrer Studie "Harnessing Nonuniform Pressure Distributions in Soft Robotic Actuators" angenommen, die in Advanced Intelligent Systems veröffentlicht ist.

Der von ihnen entwickelte flüssigkeitsbetriebene Aktuator besteht aus Reihen weicher Elastomerbälge, die mit schmalen Kanälen miteinander verbunden sind und in zwei parallelen Säulen ein geschlossenes System bilden. Durch diese Anordnung ist es möglich, antagonistische Bewegungen durchzuführen. Eine Säule zieht, die andere drückt. Die Schläuche sorgen dabei für eine unterschiedliche Viskosität, die zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung führt. Der Aktuator nimmt so unterschiedliche Formen an und führt damit unterschiedliche Bewegungsmuster aus.

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Um dies in kontrollierte Bahnen zu lenken, entwickelten die Forschenden ein Beschreibungsmodell, das die möglichen Bewegungen des Aktuators vorhersagen kann. Dabei benutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Kombination verschiedener Eingangsdrücke, Geometrien sowie Konfigurationen der Bälge und Rohre, um bestimmte Bewegungen mit nur einer einzigen Flüssigkeitszufuhr zu realisieren. Eine spezielle Ansteuerung ist dann selbst für komplexe Bewegungen nicht nötig.

Laufender sechsbeiniger Roboter

Zur Demonstration bauten die Forschenden einen sechsbeinigen Roboter, dessen Aktuatoren für die Beine über ein Pumpensystem über zwei Spritzen mit Flüssigkeit versorgt wird. Der Roboter kann durch die spezielle Anordnung mit einer Geschwindigkeit von 0,05 Körperlängen pro Sekunde laufen. Zusätzlich kann er sich ducken.

"Wir haben alle Methoden detailliert beschrieben, mit denen man diese Aktoren für zukünftige Anwendungen entwickeln kann", sagt Kirstin Petersen, Professorin am Fachbereich Elektro- und Computertechnik. "Wenn die Aktuatoren beispielsweise als Beine verwendet werden, zeigen wir, dass man durch das Überkreuzen eines Satzes von Rohren von einem straußenähnlichen Gang, der einen sehr breiten Stand hat, zu einem elefantenähnlichen Trab übergehen kann."

Petersen ist überzeugt, dass die von dem Team entwickelte Aktuatoren-Technik ein Potenzial für viele Anwendungsgebiete in der Robotik birgt, etwa auch für Roboterarme. In Zukunft sollen deshalb weitere Forschungen stattfinden, wie mit spezifischen dreidimensionalen Formen und Anordnungen der Faltenbälge noch andere Bewegungsmuster erzeugt werden können.

(olb)