Softrobotik mit schmerzempfindlichen, selbstheilenden und nachhaltigen Robotern
Wenn Menschen und Tiere verletzt werden, z. B. durch eine Schnittwunde, verheilen diese Verletzungen mit der Zeit. Bei defekten Robotern bedeutet dies jedoch häufig, dass Ersatzteile benötigt werden. Dieser Aspekt wirkt sich nicht nur auf die Umwelt aus, solche Teile können auch sehr teuer sein. Das EU-finanzierte Projekt SHERO verfolgte das radikale Ziel, völlig autonome, selbstheilende Softroboter zu konzipieren. Erreicht wurde dies durch die Integration technischer Funktionswerkstoffe, intelligenter Sensorik und aktiver Antriebs- und Steuerungsfähigkeiten in Softroboter. „Unser ehrgeiziges Ziel bestand darin, komplette Robotersysteme zu entwerfen, die in der Lage sind, Schmerzen zu spüren, intelligent zu reagieren, um den Schmerz zu lindern, die notwendigen Maßnahmen zur Behebung des Schadens und zur Wiederherstellung aller Funktionen zu ergreifen, eine Rehabilitation zu durchlaufen und schließlich wieder aktiv zu werden“, erläutert Bram Vanderborght, Projektkoordinator von der Vrije Universiteit Brussel und imec, einem führenden Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien. SHERO wandte einen beispiellosen integrierten Ansatz an, der sich aus mehreren wesentlichen bahnbrechenden technologischen Innovationen in der Wertschöpfungskette zusammensetzt.
Das Potenzial von Softrobotern
„Der Bedarf an Robotern, die sicher mit Menschen und zerbrechlichen Gegenständen interagieren können, führte zum raschen Aufkommen der Softrobotik sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie“, bemerkt Vanderborght. Softroboter werden aus flexiblen Werkstoffen wie Silikonen und Polyurethanen angefertigt. Sie werden in verschiedenen Branchen als weiche Greifer und Manipulatoren eingesetzt, die weiche und empfindliche Gegenstände handhaben. Das weiche Material, das für diese Roboter eingesetzt wird, ist jedoch sehr anfällig für Beschädigungen, wodurch ihre Nutzungsdauer stark eingeschränkt wird. „Außerdem weisen die meisten weichen Materialien ein geringes Recyclingpotenzial auf“, fügt Vanderborght hinzu.
Vision in die Tat umsetzen
Eine Lösung für Softroboter ist die Verwendung von selbstheilenden Polymeren. Allerdings sind nicht alle von ihnen für den Einsatz in der Softrobotik geeignet. Dynamische kovalente Bindungen, wie elastomere Netzwerke auf Basis der Diels-Alder-Reaktion wurden als geeignet angesehen. „Im Rahmen des Projekts haben wir selbstheilende Polymere auf der Basis von Diels-Alder-Netzwerken, auf Wasserstoffbrückenbindungen basierte Netzwerke und Netzwerke basierend auf Austauschreaktionen mit Vitrimeren synthetisiert und charakterisiert“, beschreibt Vanderborght. Außerdem wurden die Synthese und Charakterisierung von reversiblen Netzwerken mit zusätzlicher Funktionalität unter Verwendung von leitfähigen Partikeln in selbstheilenden Polymeren zur Entwicklung eingebetteter Sensoren und magnetischer Füllstoffe in reversiblen Netzwerken realisiert. „Um über den Stand der Technik auf der Fertigungsebene hinauszugehen und auf unterschiedliche industrielle Anforderungen zu reagieren, haben wir spezielle Verarbeitungsverfahren erarbeitet, die additive Fertigungsverfahren, aber auch Formen, Gießen, Laserschneiden und Schweißen umfassen“, fügt Vanderborght hinzu. Diese innovativen Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren wurden in mehreren Softrobotik-Demonstratoren vorgestellt, von denen einer ein Greifer war. Der Robotergreifer, der aus Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften besteht und intelligent gesteuert wird, wurde unter kontrollierten Bedingungen beschädigt. Die Ergebnisse zeigten, dass er heilen konnte und in der Lage war, seine ursprünglichen Aufgaben wieder aufzunehmen.
Neue Art Vertrauen in EU-Produkte
„Die wichtigste Innovation unserer selbstheilenden Werkstoffe besteht darin, die Wiederverwendung bestehender Produkte zu erhöhen, indem ihre Nutzungsdauer verlängert wird. Zudem können diese Materialien recycelt werden“, betont Vanderborght. Daher trägt SHERO zum EU-Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft für ein saubereres und wettbewerbsfähigeres Europa bei. „Durch die selbstheilenden Softroboter wird SHERO eine neue Art Vertrauen in EU-Produkte entwickeln, da man weiß, dass ihre Funktionsfähigkeit nicht – wie bisher – von menschlicher Erkennung und Reparatur abhängt“, schließt Vanderborght. Was die nächsten Schritte betrifft, so wird über das Projekt derzeit die Technologie weiterentwickelt und untersucht, welche anderen Anwendungsbereiche über Softroboter hinaus davon profitieren können.
Schlüsselbegriffe
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