Modulares Roboterdesign mit Origami-Modulen
Origami-Module können ihre Form ändern und miteinander gekoppelt etwa einen Roboterarm bilden, der frei beweglich ist.
Aus einem einzelnen Origami-Modul können komplexe Robotersysteme aufgebaut werden.
(Bild: Chao Zhang)
Ein Forschungsteam der Westlake University und der Zhejiang University haben ein modulares Design für Roboterkomponenten entwickelt, das auf der asiatischen Papierfaltkunst Origami basiert. Die Module lassen sich nahezu beliebig verformen, sodass sie etwa für Roboterarme verwendet werden können.
Die Wissenschaftler der beiden Universitäten haben ein besonderes Faltmuster aus abwechselnden hoch- und tiefstehenden Faltungen, dem sogenannten Kresling-Muster, entwickelt, wie sie in dem wissenschaftlichen Paper "Plug & play origami modules with all-purpose deformation modes" beschreiben, der in Nature Communications veröffentlicht ist. Durch Verdrehungen und Kontraktionen lassen sich komplexe Formen erzeugen. Die von den Forschenden entwickelten Module werden über einen pneumatischen Antrieb angesteuert.
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"Die Einheit besteht aus einem zweistufigen Kresling-Muster mit entgegengesetzten Drehrichtungen auf jeder Stufe", erklärt Hanquing Jiang, einer der beteiligten Forscher an der Studie. "Noch wichtiger ist, dass es auf jeder Ebene zwei Seitentaschen auf den gegenüberliegenden Seiten gibt. Je nachdem, wie die Seitenbeutel mit Druck beaufschlagt werden, wenn die Hauptkammer vakuumiert wird, können wir also unterschiedliche Verformungsmodi erzielen."
Mehrere Origami-Module verbinden
Mit einem einzelnen Modul können sieben verschiedene Verformungsmodi erreicht werden. Darunter befinden sich drei Grundbewegungen und vier neue Kombinationen aus diesen Grundbewegungen. Je nach eingebrachtem Druckschema können "alle möglichen Verformungsmodi" erzielt werden, schreiben die Wissenschaftler. Dadurch eignet es sich etwa für den Bau von Roboterarmen. Mehrere dieser Module können miteinander über eine Schraubverbindung zu einem Arm gekoppelt werden und so etwa einen starren Roboterarm mit sechs Freiheitsgraden ersetzen.
"Das Modul ist wie unsere Arme, die alle Verformungsmodi (Kontraktion/Streckung, Drehung, Biegung) ausführen können, je nachdem, wie die Nerven die Muskeln steuern. Die Druckschemata der Einheit sind wie unsere Nerven, und das Universalmodul übernimmt die Rolle unseres Arms", sagt Jiang.
Die Forscher testeten das Origami-Modul in Simulationen sowie in Experimenten mit realer Hardware. Die Ergebnisse seien den Wissenschaftlern zufolge sehr vielversprechend ausgefallen. Die Module würden das Potenzial für die Entwicklung modularer Roboter zeigen, die beispielsweise an ihre Umgebung angepasst werden und sich auf unterschiedliche Weise bewegen können. Jiang sieht darin eine Möglichkeit, komplexe Softroboter bauen zu können.
Jiang und seine Kollegen wollen den strukturellen Aufbau der Origami-Module nun anpassen, um sie fit für den praktischen Einsatz zu machen. So sollen etwa größere Objekte mit ihnen gegriffen werden können.
(olb)