Roboterarm mit künstlichen Muskeln und Nerven aus dielektrischen Elastomeren

Ein Zwischenschritt auf dem Weg zur flexiblen Roboter-Tentakel: Ein wissenschaftlicher Mitarbeiter im Team um Stefan Seelecke und Gianluca Rizzello arbeitet an einem Roboterarm mit künstlichen Muskeln und Nerven aus dielektrischen Elastomeren (die in die Konstruktion eingespannten, schwarzen ‚Schnüre‘). (Quelle: Universität des Saarlandes / Oliver Dietze)

Das Team um Prof. Dr. Stefan Seelecke und Juniorprofessor Dr. Gianluca Rizzello an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) arbeitet an dieser neuen Art von Roboterarmen: „Unsere Technologie der intelligenten Polymersysteme ermöglicht neuartige, weiche Roboter-Werkzeuge, die leichter, wendiger und flexibler sind als die heutigen starren technischen Bauteile“, erklärte Seelecke. Wie das funktioniert, das beschriebt Rizello so: „Wir bedrucken das Elastomer beidseitig mit Elektroden. Legen wir eine elektrische Spannung an, ziehen sich die Elektroden an und stauchen das Elastomer, das dabei gleichzeitig seine Fläche ausdehnt.“ Das Elastomer kann sich also zusammenziehen und strecken wie ein Muskel. „Diese Eigenschaft nutzen wir als Aktor, also als Antrieb“, erklärte Rizzello weiter. Je nachdem, wie sich das elektrische Feld ändert, kann das Elastomer hochfrequent vibrieren, stufenlos kraftvolle Hub-Bewegungen vollführen oder auch in jeder gewünschten Stellung verharren.

Aus vielen dieser kleinen Elastomer-Muskeln lassen sich flexible Roboterarme zusammensetzen. In einem Roboter-Tentakel aneinandergereiht, bewirkt ihr Zusammenspiel, dass sich dieser wie der Fangarm eines Kraken in alle Richtungen biegen und schlängeln kann. Ein Tentakel-Prototyp soll in etwa einem Jahr vorliegen. Für ihre Arbeit am Prototyp dieser Elastomer-Muskel-Tentakel hat Rizzello zusammen mit seinem Doktoranden Johannes Prechtl jüngst den Best Paper Award auf der RoboSoft2021-Konferenz erhalten – eine von vielen Auszeichnungen der Arbeitsgruppe um Stefan Seelecke.

Die Bewegungssteuerung ist äußerst komplex

Gianluca Rizzello ist der Spezialist für die Steuerungseinheit – also die Bewegung – der Elastomer-Muskeln. „Polymerbasierte Komponenten mit künstlicher Intelligenz zu steuern, ist weit schwieriger als bei herkömmlichen mechatronischen Systemen“, sagte Rizello. Die Elastomer-Muskeln fungieren dabei zugleich als Nerven des Systems: Sie haben selbst Sensor-Eigenschaften. Daher kommt dieser Roboterarm ohne weitere Sensorik aus. „Jede Verformung des Elastomers, jede Änderung seiner Geometrie, bewirkt eine Änderung der elektrischen Kapazität und lässt sich präzisen Messwerten zuordnen. Messen wir die elektrische Kapazität, wissen wir, wie das Elastomer gerade verformt ist und können hieraus sensorische Daten ablesen“, erläuterte der Ingenieur.

Mit diesen Werten lassen sich die Bewegungsabläufe präzise modellieren und programmieren: Hierfür intelligente Algorithmen zu entwickeln, um den neuartigen Roboter-Tentakeln ihr gewünschtes Verhalten anzutrainieren, steht im Mittelpunkt von Rizzellos Forschung. „Wir arbeiten daran zu verstehen, welche physikalischen Eigenschaften dem Verhalten der Polymere zugrunde liegen. Je mehr wir darüber wissen, umso passgenauere Algorithmen können wir zu ihrer Steuerung entwerfen“, sagte der Juniorprofessor.

Einsatzbreite und Vorzüge der Technologie

Die Technologie mit den dielektrischen Elastomeren wird skalierbar sein: Sie kann in feinen Tentakeln etwa für medizinische Instrumente zum Einsatz kommen, aber auch bei großen Industrierobotern. Anders als heutige Roboterarme werden diese Roboterarme leicht sein, denn sie brauchen keine Elektromotoren, Hydraulik oder Druckluft – sie funktionieren nur mit elektrischem Strom. Die Bauform der Elastomer-Muskeln kann dem jeweiligen Bedarf angepasst werden. Zudem brauchen sie nur wenig Energie. „Das macht diese Robotertechnologie, für die wir derzeit die Grundlagen erforschen, energieeffizient und kostengünstig“, erklärte Seelecke.

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