3D-gedruckte pneumatische Module ersetzen elektrische Steuerung in Softrobotern

Softroboter können in Zukunft Aufgaben übernehmen, an denen herkömmliche Roboter scheitern. Die weichen Roboter könnten in schwer zugänglichem Gelände und in Umgebungen zum Einsatz kommen, in denen sie etwa Chemikalien oder Strahlung ausgesetzt sind, die elektronisch gesteuerten Robotern aus Metall schaden würden. Dafür ist es notwendig, dass diese Softroboter ohne jegliche Elektronik steuerbar sind. Dies stellt in der Entwicklung bisher noch eine Herausforderung dar. Ein Forschungsteam der Universität Freiburg hat nun 3D-gedruckte pneumatische Logikmodule entwickelt, die die Bewegungen von Softrobotern allein durch Luftdruck steuern. Diese Module ermöglichen eine logische Schaltung des Luftstroms und können so eine elektrische Steuerung imitieren. Mit den Modulen ist es zum ersten Mal möglich, flexible und elektronikfreie Softroboter vollständig im 3D-Drucker mit Filament aus konventionellem Druckmaterial herzustellen. Seine Ergebnisse hat das Team um Dr. Stefan Conrad, Dr. Falk Tauber, Joscha Teichmann, und Prof. Dr. Thomas Speck vom Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) im renommierten Fachjournal Science Robotics veröffentlicht.

„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 Conrad. „Dies markiert einen bedeutenden Schritt hin zu völlig elektronikfreien pneumatischen Steuerkreisen, die künftig immer komplexere elektrische Komponenten in Softrobotern ersetzen können.“

Das Video zeigt den Softroboter in Bewegung. Gleichzeitig demonstriert ein Tritttest seine Flexibilität.

Module können Boolesche Operationen ausführen und gezielt Luftstrom in Bewegungselemente lenken

Die Module bestehen aus zwei Kammern, die unter Druck stehen. Zwischen diesen Kammern verläuft ein 3D-gedruckter Kanal. Indem die Kammern auf den Kanal drücken, können sie den Luftfluss darin unterbinden und diesen so wie ein Ventil regulieren. Durch das gezielte Öffnen und Schließen des Ventils können die Module ähnlich wie elektrische Schaltungen die booleschen, logischen Funktionen „UND“, „ODER“ und „NICHT“ ausführen und gezielt Luftstrom in die Bewegungselemente des Softroboters lenken. Welche Funktion das einzelne Modul ausführt, wird dadurch festgelegt, in welche Kammern Luftdruck gegeben wird. Je nach gewähltem Material, können die Module mit einem Druck zwischen 80 und mehr als 750 Kilopascal betrieben werden. Dabei haben sie eine im Vergleich zu anderen pneumatischen Systemen schnelle Reaktionszeit von etwa 100 Millisekunden.

Das Video zeigt, dass die Logikmodule sogar die Last eines Autos aushalten. 

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

„Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Module sind enorm. Wir haben einen flexiblen 3D-gedruckten robotischen Läufer entwickelt, der durch einen integrierten Schaltkreis per Luftdruck gesteuert wird. Wie nachgiebig die Logikmodule sind, zeigt sich daran, dass dieser Läufer sogar die Last eines Autos aushält, das über ihn fährt“, so Tauber. „Als Beispiel für komplexere Steuerungen haben wir zusätzlich einen elektronikfreien Getränkespender entwickelt.“

Als Beispiel für komplexere Steuerungen hat das Forschungsteam zusätzlich einen elektronikfreien Getränkespender entwickelt. Foto: Falk Tauber

Über den Exzellenzcluster livMatS
Die Vision des Exzellenzclusters Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) ist, das Beste aus zwei Welten – der Natur und der Technik – zu verbinden. livMatS entwickelt lebensähnliche Materialsysteme, die von der Natur inspiriert sind. Diese Systeme werden sich autonom an Umweltbedingungen anpassen, saubere Energie aus ihrer Umgebung gewinnen und unempfindlich gegen Beschädigungen sein oder diese selbstständig ausgleichen.

• Originalpublikation: S. Conrad, J. Teichmann, et al., Sci. Robot. 9, eadh4060 (2024). DOI: 10.1126/scirobotics.adh4060
• Dr. Stefan Conrad hat in der Plant Biomechanics Group und am Exzellenzcluster livMatS der Universität Freiburg promoviert.
• Dr. Falk Tauber ist Projektleiter bei livMatS und Co-Koordinator des dortigen Forschungsbereichs “Demonstratoren“. Er ist unabhängiger Gruppenleiter in der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg.
• Joscha Teichmann promoviert in der Plant Biomechanics Group und im Exzellenzcluster livMatS der Universität Freiburg.
• Prof. Dr. Thomas Speck ist seit 2001 Professor für Botanik: Funktionelle Morphologie und Bionik und Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg. Er leitet dort die Plant Biomechanics Group und ist Mitglied des Sprecherteams des Exzellenzclusters livMatS der Universität Freiburg.
• Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (livMatS - EXC 2193).

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