Softroboter können in Zukunft Aufgaben übernehmen, an denen herkömmliche Roboter scheitern. Die Kunststoff-Roboter könnten in schwer zugänglichem Gelände und in Umgebungen unterwegs sein, in denen sie etwa Chemikalien oder Strahlung ausgesetzt sind, die elektronisch gesteuerten Robotern aus Metall schaden. Dafür ist es notwendig, dass diese Softroboter ohne jegliche Elektronik steuerbar sind. Das ist eine Herausforderung für die Entwicklung.
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.
„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 Dr. Stefan Conrad. „Dies markiert einen bedeutenden Schritt hin zu völlig elektronikfreien pneumatischen Steuerkreisen, die künftig immer komplexere elektrische Komponenten in Softrobotern ersetzen können.“
Module können 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 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 > 750 kPa betrieben werden. Dabei haben sie eine im Vergleich zu anderen pneumatischen Systemen schnelle Reaktionszeit von etwa 100 ms (Millisekunden).
Von Läufer bis Getränkespender
„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 Dr. Falk Tauber. „Als Beispiel für komplexere Steuerungen haben wir zusätzlich einen elektronikfreien Getränkespender entwickelt.“
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 Fachjournal Science Robotics veröffentlicht.
