Pneumatische Logikmodule: Softroboter kommt ohne elektronische Steuerung aus
Softroboter können komplett ohne elektronische Bewegungssteuerung auskommen. Pneumatische Logikmodule übernehmen diese Aufgabe.
(Bild: Stefan Conrad u. a. (Screenshot))
Ein Forschungsteam der Universität Freiburg hat pneumatische Logikmodule entwickelt, die Softroboter ohne Elektronik ansteuern können. Die Module zur Bewegung stammen aus dem 3D-Drucker, werden ausschließlich durch Luftdruck gesteuert und imitieren eine elektronische Steuerung.
Softroboter haben gegenüber harten Robotern einige Vorteile – wenn sie denn tatsächlich komplett weich sind, also auch keine Elektronikkomponenten enthalten. Sie können etwa sicherer in Arbeitsumgebungen eingesetzt werden, wo sie kollaborativ mit Menschen tätig sind. Denn von soften Robotern geht weniger Gefährdungspotenzial aus als von harten. Außerdem können reine Softroboter in Umgebungen arbeiten, in denen sie Chemikalien und Strahlungen ausgesetzt sind.
Die Wissenschaftler der Universität Freiburg haben flexible Logikmodule entwickelt, die einen gänzlich elektronikfreien Bau von Softrobotern ermöglichen. Sie erlauben es, die Bewegungen von Softrobotern allein durch Luftdruck zu steuern, wie aus der Studie "3D-printed digital pneumatic logic for the control of soft robotic actuators" hervorgeht, die in Science Robotics erschienen ist.
Steuerung per Luftdruck
Die Module können boolesche Operationen imitieren, indem sie einen Luftstrom gezielt in Bewegungselemente leiten. Die Logikmodule bestehen im Wesentlichen aus zwei Kammern, die unter Druck stehen. Dazwischen verläuft ein Kanal. Durch die Komprimierung des Kanals regulieren die sich ausdehnenden Kammern den Luftstrom – ähnlich wie bei einem Ventil.
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Durch das gezielte Öffnen und Schließen können die Module wie elektrische Schaltungen boolesche Logikfunktionen wie etwa "UND", "ODER" und "NICHT" durchführen. Der Luftstrom wird dann entsprechend in die Elemente geleitet, die die Bewegung des Roboters ausführen.
"Unser Design ermöglicht es allen, die Erfahrung im 3D-Druck haben, solche Logikmodule herzustellen und für die Steuerung eines Softroboters zu verwenden, ohne dass dafür eine High-End-Druckausrüstung nötig ist", sagt Dr. Stefan Conrad, einer der beteiligten Wissenschaftler. "Dies markiert einen bedeutenden Schritt hin zu völlig elektronikfreien pneumatischen Steuerkreisen, die künftig immer komplexere elektrische Komponenten in Softrobotern ersetzen können."
Wichtig für die Funktion der Logikmodule ist das Material, aus denen sie gedruckt werden. So ist es möglich, sie mit unterschiedlichem Druck zwischen 80 kPa (Kilopascal) und mehr als 750 kPa zu betreiben. Dabei weisen die Module eine schnelle Reaktionszeit von 100 Millisekunden auf.
Die Wissenschaftler haben die Funktion der Module an einem 3D-gedruckten Mini-Laufroboter ausprobiert. Er wird durch einen Logik-Schaltkreis mithilfe von Luftdruck gesteuert. Dabei erwies sich der flexible Roboter als äußerst haltbar: Das Drauftreten eines Menschen und das Überfahren mit einem Auto machte ihm nichts aus. Er lief einfach weiter. Die Forscher rüsteten den Roboter außerdem mit einer kleinen Luftdruckkapsel aus, um ihn autonom, ohne externe Luftdruckzufuhr betreiben zu können.
Auch komplexere Steuerungen lassen sich mit den pneumatischen Logikmodulen realisieren: Die Wissenschaftler entwickelten einen Getränkespender, der komplett ohne Elektronik auskommt.
(olb)