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Wie dielektrische Elastomere Roboter verändern

02.11.2021
Mit starken Muskeln und sensiblen Nerven aus intelligentem Kunststoff – dielektrischen Elastomeren – entsteht eine neue Generation von Roboterarmen. Das Team um Professor Stefan Seelecke und Juniorprofessor Gianluca Rizzello von der Universität des Saarlandes schafft die Grundlagen – ob für Chirurgieinstrumente oder Industrieroboter.

Cobots, die kollaborativen Roboter, haben schon begonnen, die Industriehallen zu erobern. Aber es gibt eine Schwachstelle: Mit der körperlichen Nähe des Menschen kommen sie schlecht zurecht. Während der Roboter stur seinem Programm folgt, bewegt sich ein Mensch plötzlich, ungeplant, mitunter unlogisch oder weil er abgelenkt ist. Daher sind Roboterarme in Fertigungsstraßen oft von Käfigen umgeben.

Dielektrische Elastomere machen den Roboterarm smart

An einer neuen, smarten Art von Roboterarmen arbeitet das Team um Professor Stefan Seelecke und Juniorprofessor Gianluca Rizzello an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema). Deren neue, weiche Roboterarme basieren auf dielektrischen Elastomeren. Aus diesem Verbundwerkstoff erschaffen die Saarbrücker künstliche Muskeln und Nerven nach dem Vorbild der Natur.

Die Elastomere lassen sich stauchen und nehmen danach ihre ursprüngliche Form wieder ein, strecken sich also wieder. Ein ungeplanter Schubs eines solchen Roboterarms der Zukunft ist dann eher wie der eines menschlichen Kollegen. „Unsere Technologie der intelligenten Polymersysteme ermöglicht neuartige, weiche Roboterwerkzeuge“, erklärt Stefan Seelecke. Diese seien leichter, wendiger und flexibler als die heutigen starren technischen Bauteile.

Warum dielektrische Elastomere als Aktor geeignet sind

Für den Einsatz im Roboterarm bedrucken die Forscher das Elastomer beidseitig mit Elektroden. Sobald elektrische Spannung anliegt, ziehen sich die Elektroden an und stauchen das Elastomer, das gleichzeitig seine Fläche ausdehnt. Der Werkstoff kann sich also zusammenziehen und strecken – wie ein Muskel. „Diese Eigenschaft nutzen wir als Aktor“, erklärt der Dr. Gianluca Rizzello, der als Juniorprofessor für Adaptive polymerbasierte Systeme mit Seelecke zusammenarbeitet. Indem sie das elektrische Feld ändern, lassen die Ingenieure das Elastomer hochfrequent vibrieren, stufenlos kraftvolle Hub-Bewegungen vollführen oder auch in jeder gewünschten Stellung verharren.

Aus vielen dieser kleinen Muskeln setzen die Forscher flexible Roboterarme zusammen. Zu einem Roboter-Tentakel aneinandergereiht, bewirkt ihr Zusammenspiel, dass dieser sich wie der Fangarm eines Kraken in alle Richtungen biegen und schlängeln kann: Anders als bei schweren und starren Gelenken heute üblicher Roboter, sind der Freiheit so eines Tentakels keine Grenzen gesetzt. Ein Tentakel-Prototyp soll in etwa Mitte 2022 vorliegen.

Dem Kunststoff Intelligenz einzuhauchen ist komplex

Wenn es darum geht, dem Kunststoff Intelligenz für die Bewegung einzuhauchen, ist Gianluca Rizzello der Spezialist. Er gibt der Steuerungseinheit den Input – ein anspruchsvolles Unterfangen. Die Systeme sind komplexer als die heutiger Roboterarme. „Polymerbasierte Komponenten mit künstlicher Intelligenz zu steuern, ist weit schwieriger als bei herkömmlichen mechatronischen Systemen“, erklärt Rizzello.

Die Elastomer-Muskeln fungieren dabei zugleich als Nerven des Systems: Sie haben selbst Sensor-Eigenschaften. Daher kommt dieser Roboterarm ohne zusätzliche Sensorik aus. „Jede Verformung des Elastomers, jede Änderung seiner Geometrie, bewirkt eine Änderung der elektrischen Kapazität und lässt sich präzisen Messwerten zuordnen“, erläutert der Ingenieur. „Messen wir die elektrische Kapazität, wissen wir, wie das Elastomer gerade verformt ist und können hieraus sensorische Daten ablesen.“

Forschungsziel: Bewegungen präzise modellieren

Damit lassen sich die Bewegungsabläufe präzise modellieren und programmieren: Hierfür intelligente Algorithmen zu entwickeln, um den neuartigen Roboter-Tentakeln das gewünschte Verhalten anzutrainieren, steht im Mittelpunkt der Forschung von Juniorprofessor Gianluca Rizzello.

Die Technologie wird skalierbar sein: Sie kann in feinen Tentakeln etwa für medizinische Instrumente ebenso eingesetzt werden wie in großen Industrierobotern. Anders als die heutigen Roboterarme, die allein mit ihrem beachtlichen Gewicht gegen die Schwerkraft ankämpfen müssen, werden diese Roboterarme leicht sein. Sie kommen ohne Motoren, Hydraulik oder Druckluft aus und funktionieren nur mit elektrischem Strom.

Die Bauform der Elastomer-Muskeln kann dem jeweiligen Bedarf angepasst werden, und sie brauchen nur wenig Energie. Je nach Kapazität geht es um Ströme im Mikroampere-Bereich. „Das macht die Robotertechnologie, für die wir derzeit die Grundlagen erforschen, energieeffizient und kostengünstig“, erklärt Stefan Seelecke.

Quelle: Meldung medizin&technik vom 02.11.2021