Dank der Fortschritte in der Materialwissenschaft wurden in den letzten Jahren bemerkenswerte Forschungsergebnisse im Bereich der Softroboter erzielt. Im Vergleich zu herkömmlichen starren Robotern orientiert sich das Design von Softrobotern an biologischen Systemen in der Natur, wie Würmern, Kraken, Geckos und Fröschen. Diese Lebewesen nutzen weiche, dehnbare Materialien, um sich in komplexen Umgebungen hervorragend fortzubewegen. In der Praxis sind Softroboter jedoch auf externe Energie oder Antriebskraft angewiesen und über physische Verbindungen miteinander verbunden, was ihren Aktionsradius einschränkt. Zudem ist das Gewicht herkömmlicher Soft-Aktuatoren, wie pneumatischer Netzwerkaktuatoren (Pneu-Nets), zu einem wichtigen Faktor geworden, der den uneingeschränkten Betrieb von Softrobotern einschränkt.

Um dieses Problem zu lösen, hat der vom Team von Professor MICHINAO HASHIMOTO und seinen Mitarbeitern an der Singapore University of Technology and Design (SUTD) entwickelte Soft-Aktuator FiBa (Filmballon) neue Durchbrüche auf dem Gebiet der Soft-Roboter gebracht.

Am 17. Juli 2024 wurden die Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift Science Robotics unter dem Titel „Crawling, climbing, perching, and flying by FiBa soft robots“ veröffentlicht.

Der FiBa-Softaktuator ist aus Dragon Skin 30-Silikon und Polymerfolie mit seitlicher Krümmung gefertigt

Der FiBa-Softaktuator verfügt über ein einzigartiges Strukturdesign, das einen 3D-gedruckten pneumatischen Ballon mit einer seitlich gekrümmten Polymerfolie kombiniert. Der Vorteil dieses Designs besteht darin, dass es das Gewicht des Aktuators effektiv reduzieren und gleichzeitig seine multifunktionalen Eigenschaften beibehalten kann, wodurch ein kabelloser Betrieb ermöglicht wird.

Im Vergleich zu herkömmlichen Silikonkautschukmaterialien verwenden FiBa-Aktuatoren Dragon Skin 30-Silikon mit einem höheren Elastizitätsmodul (ca. 593 kPa), das eine stärkere Antriebsleistung ohne zusätzliches Gewicht ermöglicht. Der hohe Elastizitätsmodul bedeutet, dass Dragon Skin 30-Silikon bei gleichem Volumen einen höheren Innendruck erzeugen kann, wodurch die Biege- und Antriebswirkung des Aktuators verbessert wird.

Eine weitere Schlüsselkomponente des FiBa-Aktuators ist eine Polymerfolie mit seitlicher Krümmung. Dieses Folienmaterial ist nicht nur leicht, sondern weist auch eine hohe Flexibilität und Plastizität auf. Durch die seitliche Krümmung wird die lokale Steifigkeit der Folie erhöht, was eine gerichtete Biegung im aufgeblasenen Zustand und eine schnelle Rückkehr in die ursprüngliche Form nach dem Entleeren ermöglicht. Die Forscher erklärten, dass durch die seitliche Krümmung die Biegeeigenschaften der Polymerfolie deutlich verbessert und damit die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit des Aktuators verbessert werden.

Herkömmliche Flachfolien neigen bei äußeren Kräften zu unregelmäßiger Verdrehung und Biegung. Durch die seitliche Krümmung wird das Biegeverhalten der Folie richtungsabhängig verbessert. Beim Aufblasen des Ballons biegt sich die Folie entlang der vorgegebenen Krümmungsrichtung und erzeugt so eine stabile Antriebskraft. Diese richtungsabhängige Biegung verbessert nicht nur die Regelgenauigkeit des Aktuators, sondern verlängert auch seine Lebensdauer.

Das seitliche Krümmungsdesign trägt zudem zur Verbesserung der strukturellen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Aktuators bei. Während des Entleerungsprozesses kann die Folie schnell in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, wodurch Leistungseinbußen und strukturelle Schäden durch langfristige Verformung vermieden werden. Darüber hinaus können durch die Optimierung der Krümmungsparameter und der Foliendicke der Biegewinkel und die Antriebskraft des Aktuators an die Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien angepasst werden.

Der FiBa-Aktuator verfolgt einen modularen Designansatz, der das FiBa-Biegemodul und das FiBa-Modul mit variabler Steifigkeit umfasst. Dank des modularen Designs können Forscher schnell einen Prototyp des Aktuators erstellen und iterativ optimieren. Verschiedene Module lassen sich zu Aktuatoren unterschiedlicher Form und Funktion kombinieren, um den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungsszenarien gerecht zu werden. Diese Fähigkeit zum Rapid Prototyping beschleunigt nicht nur den Produktentwicklungszyklus, sondern reduziert auch Kostenrisiken.

Der modulare Aufbau des FiBa-Aktuators ist zudem hochgradig anpassbar. Durch die Anpassung der Anzahl, Anordnung und Größenparameter der Module können Forscher den Aktuator an unterschiedliche Umgebungen und Aufgaben anpassen. Beispielsweise können bei einem Kletterroboter die Kletterfähigkeit und Stabilität des Roboters durch die Erhöhung der Anzahl und Anordnung der Greif- und Biegemodule verbessert werden.

Um einen uneingeschränkten Betrieb zu gewährleisten, integriert der FiBa-Aktuator auch elektronische Komponenten wie pneumatische Pumpen, Ventile, Batterien und Steuerplatinen. Bei der Auswahl der elektronischen Komponenten achten die Forscher auf geringes Gewicht und hohe Effizienz. So kann beispielsweise der Einsatz mikropneumatischer Pumpen und Ventile das Gesamtgewicht des Systems reduzieren, während der Einsatz leistungsstarker Batterien und Steuerplatinen die Energieeffizienz und Stabilität des Systems verbessert. Dank der leichten elektronischen Komponenten kann der FiBa-Aktuator auch in einer uneingeschränkten Umgebung lange stabil arbeiten.

Im Hinblick auf die Integration reduzieren die Forscher Signalstörungen und Energieverluste durch Optimierung des Layouts und der Verbindung elektronischer Komponenten und verbessern die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems durch Hinzufügen redundanter Design- und Fehlerdiagnosefunktionen.

▍Diskussion über vier Formen von FiBa-Softrobotern und Landeszenarien

Um die Leistung und Vielseitigkeit der FiBa-Aktuatoren zu überprüfen, demonstrierte das Forschungsteam erfolgreich vier uneingeschränkte bionische Bewegungsmodi, nämlich das von Schildkröten inspirierte Krabbeln, das von Spannerraupen inspirierte Klettern, das von Fledermäusen inspirierte Sitzen und das von Marienkäfern inspirierte Fliegen.

Der von einer Schildkröte inspirierte Krabbelroboter nutzt vier FiBa-Biegemodule als „Flossen“, um die Vorderbeine der Schildkröte zu simulieren und den Roboter durch Simulation der Bewegung der Schildkröte an Land vorwärtszutreiben. Diese Module werden durch quer gekrümmte Polymerfolien mit 3D-gedruckten pneumatischen Ballons kombiniert, um leichte und effiziente Biegebewegungen zu ermöglichen. Der Roboter ist außerdem mit einem Hubantriebsmodul ausgestattet, um die Rumpfhöhe bei Bedarf an unterschiedliche Geländebedingungen anzupassen.

Anwendungsszenarien: Nach Naturkatastrophen wie Erdbeben und Tsunamis gibt es in den Ruinen oft viele enge Lücken, die für herkömmliche starre Roboter schwer zugänglich sind. Dieser kriechende Roboter kann diese Lücken jedoch problemlos passieren, Ausrüstung wie Lebensmelder tragen, nach eingeschlossenen Personen suchen und die Situation vor Ort in Echtzeit per Funk an die Rettungskräfte übermitteln, was die Rettungseffizienz deutlich verbessert.

Der vom Spanner inspirierte Kletterroboter nutzt das FiBa-Biegemodul und das Greifmodul, um vertikales Klettern zu ermöglichen, indem er die Kriechbewegung des Spanners simuliert. Das Greifmodul ist durch einen aufgeblasenen Silikonballon eng um die Kletterfläche gewickelt, um ausreichend Halt zu bieten. Gleichzeitig treibt das FiBa-Biegemodul den Roboter an, sich entlang der Kletterfläche zu bewegen und so stabiles Klettern zu gewährleisten.

Im industriellen Bereich kann dieser Kletterroboter zur Inspektion und Wartung von vertikalen Rohrleitungen, Brücken und Außenwänden von Hochhäusern eingesetzt werden. Der Roboter ist mit hochauflösenden Kameras, Infrarot-Wärmebildkameras und weiteren Geräten ausgestattet, um detaillierte Inspektionen der Strukturoberfläche durchzuführen, potenzielle Sicherheitsrisiken frühzeitig zu erkennen und die Risiken und Kosten manueller Inspektionen zu reduzieren. Dieser Kletterroboter eignet sich auch hervorragend für die Inspektion von Infrastruktur wie Stromleitungen und Sendemasten. Er kann schnell an Strommasten oder Sendemasten entlangklettern, um Leitungsisolatoren, Mastkörperverbinder usw. zu inspizieren und so die Effizienz und Genauigkeit der Inspektion zu verbessern.

Der von Fledermäusen inspirierte Sitzroboter nutzt FiBa-Module, um einen leichten Vierfingergreifer zu bauen, der die Art und Weise simuliert, wie Fledermäuse kopfüber auf Ästen sitzen. Die pneumatische Struktur im Inneren des Greifers erzeugt nach dem Aufblasen eine starke Greifkraft, die es dem Roboter ermöglicht, stabil auf Stützen wie Ästen und Stangen zu sitzen.

Die Installation dieses Roboters auf einer Drohne kann deren Flugzeit deutlich verlängern. Während der Mission kann die Drohne auf einer Stütze verweilen, um Energie zu sparen, und nach der weiteren Mission wieder abheben. Das senkt die Energiekosten und erweitert das Anwendungsspektrum. Bei Feldeinsätzen wie geologischen Erkundungen und forstwirtschaftlichen Untersuchungen kann der Roboter als temporäre Stützplattform eingesetzt werden. Nach Abschluss der Mission kann die Drohne in der Nähe verweilen, um aufzuladen oder auf weitere Anweisungen zu warten. Das verbessert die Betriebseffizienz und Sicherheit.

Der vom Marienkäfer inspirierte Flugroboter nutzt FiBa-Balkenmodule mit variabler Steifigkeit als Hauptstrukturkomponenten der Flügel. Diese Module erzeugen im aufgeblasenen Zustand ausreichend Steifigkeit und Festigkeit für den Flug und lassen sich im unaufgeblasenen Zustand für einfachen Transport und Lagerung leicht zusammenfalten und zusammenrollen. Der Roboter ist außerdem mit einer Schubvorrichtung und einem Steuerungssystem für autonomen Flug und Lageanpassung ausgestattet. In Notsituationen wie Naturkatastrophen kann dieser Flugroboter schnell reagieren und dringend benötigte Hilfsgüter wie Lebensmittel und Medikamente präzise in das Katastrophengebiet liefern. Dank seines faltbaren Flügeldesigns benötigt er beim Transport nur wenig Platz und erleichtert so den Einsatz in großem Maßstab. Gleichzeitig gewährleistet die autonome Flugfähigkeit die Genauigkeit und Pünktlichkeit der Materiallieferung. Im Bereich der Umweltüberwachung kann der Flugroboter verschiedene Sensoren und Geräte tragen, um eine umfassende Überwachung und Datenerfassung der Luft- und Wasserqualität usw. durchzuführen. Seine flexiblen Flugfähigkeiten und sein großer Überwachungsbereich ermöglichen es dem Roboter, große Flächen schnell abzudecken und präzise Daten zu liefern. Darüber hinaus kann er auch in der Landwirtschaft zur Schädlings- und Krankheitsüberwachung sowie zur Beurteilung des Pflanzenwachstums eingesetzt werden.

▍Fazit und Zukunft

Die Entwicklung der FiBa-Soft-Aktuatoren markiert einen bedeutenden Durchbruch in der Soft-Robotik-Technologie. Durch die Verwendung leichter Materialien und die modulare Bauweise zeichnet sich der FiBa-Aktuator durch geringes Gewicht und multifunktionale Eigenschaften aus. Dieses Design löst nicht nur das Gewichtsproblem herkömmlicher Soft-Roboter, sondern bietet auch eine extrem hohe Anwendungsbreite. Zukünftig werden Forscher das Design und die technischen Lösungen des FiBa-Aktuators weiter optimieren, um seine Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern. Darüber hinaus wird erwartet, dass der FiBa-Soft-Roboter durch die Entwicklung intelligenter Steuerungs- und autonomer Navigationstechnologien künftig noch intelligenter agieren wird.