Forschende der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben im Rahmen einer Forschungspartnerschaft ein von Tieren inspiriertes Roboterbein mit künstlichen Muskeln entwickelt. Die Puplikation ist in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.
Zürich, 09. September 2024. Seit gut 70 Jahren wird an der Entwicklung von Robotern geforscht. Allen war bisher gleich, das Motoren zum Einsatz kommen mussten und in ihrem Umfang damit auch beschränkte Abläufe möglich machten. Ihnen fehlen teilweise die Beweglichkeit und Anpassungsfähigkeit von Lebewesen. In einer Forschungsgemeinschaft konnten jetzt Forschende der ETH Zürich und des Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) im Rahmen der Forschungspartnerschaft namens Max Planck ETH Center for Learning Systems einen Muskel aus einem elektrohydraulischen Aktor entwickeln.
Elektrisch geladen wie bei einem Luftballon
Wie bei Mensch und Tier sorgen auch beim Roboterbein ein Streck- und ein Beugemuskel dafür, dass Bewegungen in beide Richtungen möglich sind. Diese elektrohydraulischen Aktuatoren, die die Forscher HASELs nennen, sind über Sehnen am Skelett befestigt.
Die Aktuatoren sind mit Öl gefüllte Kunststoffbeutel. Etwa die Hälfte des Beutels ist beidseitig mit einer schwarzen Elektrode, also einem leitfähigen Material, beschichtet. Buchner erklärt: «Sobald wir Spannung an die Elektroden anlegen, ziehen sie sich aufgrund statischer Elektrizität gegenseitig an. Wenn ich einen Luftballon an meinem Kopf reibe, bleiben meine Haare aufgrund der gleichen statischen Elektrizität am Ballon haften». Wenn man die Spannung erhöht, ziehen sich die Elektroden näher zusammen und schieben das Öl im Beutel auf eine Seite, wodurch der Beutel insgesamt kürzer wird.
Paare dieser Aktuatoren, die an einem Skelett befestigt sind, führen zu den gleichen paarweisen Muskelbewegungen wie bei Lebewesen: Wenn sich ein Muskel verkürzt, verlängert sich sein Gegenstück. Über einen Computercode, der mit Hochspannungsverstärkern kommuniziert, steuern die Forschenden, welche Aktuatoren sich zusammenziehen und welche sich verlängern sollen.
Agile Fortbewegung über unebenes Terrain
Die Forschenden konnten zeigen, dass das Roboterbein über eine hohe Anpassungsfähigkeit verfügt. Zur Sprungfähigkeit ist es erforderlich das eigene Körpergewicht explosionsartig anzuheben. Die Elastizität dieses entwickelten Muskels ist in der Lage sich agil an das jeweilige Terrain anzupassen. «Das ist bei Lebewesen nicht anders. Wenn wir zum Beispiel unsere Knie nicht beugen können, haben wir grosse Schwierigkeiten, auf einer unebenen Oberfläche zu gehen», sagt Katzschmann. «Man denke nur an die Stufe vom Gehweg auf die Strasse.»
Katzschmann führt weiter aus: «Wenn wir die Technologie des Roboterbeines zu einem vierbeinigen Roboter oder einem humanoiden Roboter mit zwei Beinen kombinieren, können wir es eines Tages, sobald es batteriebetrieben ist, auch als Rettungsroboter einsetzen.»
Originalpublikation:
Buchner TJK, Fukushima T, Kazemipour A, Gravert SD, Prairie M, Romanescu P, Arm P, Zhang Y, Wang X, Zhang SL, Walter J, Keplinger C, Katzschmann RK: Electrohydraulic musculoskeletal robotic leg for agile, adaptive, yet energy-efficient locomotion. Nature Communications, 9 September 2024, doi: 10.1038/s41467-024-51568-3
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