Flexible dielektrische Elastomerbauteile revolutionieren Soft-Robots
Traditionelle Roboter bestehen üblicherweise aus schweren, starren Bestandteilen wie etwa Motoren, Getrieben und starren Verbindungen. Diese Bauteile ermöglichen es ihnen, komplexe Bewegungen und Prozesse zu bewerkstelligen. Es ist ihnen aber in den meisten Fällen unmöglich, damit biologische Modelle nachahmende Bewegungen auszuführen. DE-Aktoren weisen neue Wege Das von der TU Dresden koordinierte Projekt ANSWER trat an, um die Dinge zu verändern. „Unser Ziel besteht darin, Sensorik, Signalverarbeitung und Antriebe unter Einsatz von flexiblen DE-Aktoren in Soft-Robotik-Strukturen ohne konventionelle Elektronik zu integrieren“, erläutert Professor Gerald Gerlach, Projektkoordinator und Marie-Curie-Stipendiat. Dank der DE-Aktoren können sich flexible Mechanismen wie künstliche Muskeln verhalten. Sie bestehen im Normalfall aus mechanisch vorgespannten Elastomermembranen und elastischen Elektroden. Dafür, dass sie leicht sind, können sie ähnlich wie Muskeln beeindruckende Spannungen aufbauen. Während die Steuerung der DE-Aktoren komplex und teuer ist und externe elektronische Steuereinheiten erforderlich sind, „können sie auch als Sensoren und piezoresistive Schalter (dielektrische Elastomerschalter – DES) agieren sowie eine Einbindung von Überwachungs- und Steuerfunktionen in die elastischen Komponenten selbst ermöglichen“, hebt Professor Gerlach hervor. Autonomer Soft-Robot ohne Elektronik greifbar nah „Hauptergebnis des Projekts ist, dass wir eine breite Vielfalt von DE-basierten elektronischen Bauteilen und von ihnen gesteuerte aktive Strukturen demonstriert haben“, betont Professor Gerlach. Um dorthin zu gelangen, entwickelte man in der ersten Projektphase ein Grundkonzept eines weichen, biomimetischen DE-Robot-Designs sowie funktionale Untereinheiten. Außerdem leitete das Team die mechanischen Modi der verwendeten Elastomerwerkstoffe analytisch und rechnerisch ab und entwickelte ein funktionierendes Finite-Elemente-Modell, das in Experimenten validiert wurde. Der erste elektronikfreie halbweiche Roboter, bekannt als Trevor the Caterpillar, und eine Studie über einen Libellenflügel, bekannt als Jule Dragonfly, wurden entwickelt, gebaut und Versuchen unterzogen. In Dresden wurde die Entwicklung der Softrobotik fortgesetzt und resultierte in mehreren funktionsfähigen Demonstratoren. An Fertigungstechniken wurden Tintenstrahldrucken, Spritzgießen und Aerosolabscheidung untersucht sowie zur Fertigung der Softrobotik-Demonstratoren eingesetzt. Hindernisse überwinden Der Übergang von hausgemachten DE-Strukturen zu Tintenstrahlgebilden stellte eine anspruchsvolle Aufgabe für ANSWER dar. Um dieses Hindernis zu überwinden und zu mehr Verständnis in Bezug auf die Tinteneigenschaften zu gelangen, „führte das Projekt Brückentechnologien wie z. B. die Aerosolabscheidung verschiedener Tinten ein, die zur Anfertigung und Vorführung diverser DE-getriebener Robotikstrukturen und Signalverarbeitungsbauteilen verwendet wurden“, legt Professor Gerlach dar. Unter Einsatz der bei dieser Entwicklung gewonnenen Erfahrungen konnte ANSWER funktionale DEA und DES mittels Tintenstrahldrucken herstellen. Nun arbeitet man an weiteren Demonstratoren. Die nächsten Schritte Professor Gerlach betont: „Das Projekt wird zum weltweit ersten vollständig elastischen biomimetischen DE-Robot ohne konventionelle Elektronik führen.“ Dieser Roboter wird nur eine Versorgung mit Gleichspannung brauchen, um biomimetische, zu erwartende Aufgaben zu erfüllen und auf intelligente Weise mit seiner Umgebung zu interagieren. Zudem kommen die Ergebnisse und das generierte Anwendungswissen von ANSWER gegenwärtig in mehreren Forschungsprojekten an der TU Dresden zur Anwendung. Und sie werden in zukünftigen Verbundprojekten zwischen dieser Universität und der University of Auckland eingesetzt. ANSWER plant, einen Teil der Resultate im Rahmen eines Start-up-Unternehmens zu vermarkten. In diesem Zusammenhang werden derzeit Finanzierungsmöglichkeiten geprüft.
Schlüsselbegriffe
ANSWER, Soft-Robot, Aktor aus dielektrischem Elastomer, konventionelle Elektronik, biomimetisch, Schalter aus dielektrischem Elastomer, Aerosolabscheidung, Tintenstrahldrucken
