Ein Forschungsteam unter der Leitung der Experten für intelligente Materialien, Professor Stefan Seelecke und Juniorprofessor Gianluca Rizzello von der Universität des Saarlandes, erforscht die grundlegenden Aspekte dieses spannenden Gebiets der Softrobotik.
In der Fabrik der Zukunft arbeiten Mensch und Maschine Seite an Seite, harmonisch und als Team, und bündeln ihre Kräfte, wann immer es nötig ist – so, als wäre der kollaborative Roboter ein Mensch aus Fleisch und Blut. Obwohl kollaborative Roboter („Cobots“) bereits in industriellen Produktionslinien eingesetzt werden, ist die echte Hand-an-Hand-Zusammenarbeit zwischen Robotern und ihren menschlichen Kollegen noch Zukunftsmusik. Das Problem liegt in der physischen Nähe der menschlichen Mitarbeiter, deren Handlungen – anders als die eines Roboters – keinen vorhersehbaren Algorithmen folgen. Ein menschlicher Arbeiter kann müde oder abgelenkt werden und plötzlich oder sogar unlogisch handeln. Dies hat klare Sicherheitsrisiken und erklärt, warum die in Produktionslinien eingesetzten Roboterarme üblicherweise in Käfigen untergebracht sind. Für jeden, der ihnen zu nahe kommt, kann es gefährlich werden. Industrieroboter sind typischerweise große und schwere Maschinen. Sie sind aber auch leistungsstark, schnell und wendig und werden für eine Vielzahl von Aufgaben eingesetzt, wie Schweißen, Montieren, Lackieren, Stapeln und Heben. Ihre Bewegungen werden jedoch vollständig von den Programmen gesteuert, die sie kontrollieren. Und wenn ihnen jemand in die Quere kommt oder zu nahe kommt, können die Folgen schwerwiegend sein.
Das Team um Professor Stefan Seelecke und Juniorprofessor Gianluca Rizzello von der Universität des Saarlandes und dem Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) in Saarbrücken arbeitet an neuartigen intelligenten Roboterarmen. „Unsere Technologie basiert auf intelligenten Polymersystemen und ermöglicht es uns, neue, weiche Roboterwerkzeuge zu entwickeln, die leichter, wendiger und flexibler sind als die derzeit verwendeten starren Komponenten“, erklärt Stefan Seelecke. Ein versehentlicher Stupser mit einem dieser Roboterarme der Zukunft wäre eher mit einem Schubser eines menschlichen Kollegen vergleichbar (und würde einen deutlich seltener ins Krankenhaus bringen).
Das Material für diese neuen weichen Roboterarme ist ein spezieller Polymertyp, ein sogenanntes dielektrisches Elastomer. Forscher in Saarbrücken nutzen diesen Verbundwerkstoff zur Herstellung künstlicher Muskeln und Nerven. Die besonderen Eigenschaften dielektrischer Elastomere ermöglichen die Entwicklung von Systemen, die von den genialen Konstruktionen der Natur inspiriert sind. Diese Elastomere lassen sich komprimieren und anschließend wieder in ihre ursprüngliche Form zurückdehnen. „Wir drucken Elektroden auf beide Seiten des Elastomermaterials. Beim Anlegen einer Spannung ziehen sich die beiden Elektroden an, komprimieren das Polymer und dehnen es seitlich aus“, erklärt Dr. Gianluca Rizzello, Juniorprofessor für adaptive Systeme auf Polymerbasis. Der italienische Forscher arbeitet seit 2016 im Team von Seelecke. Dadurch kann sich das Elastomer wie Muskelgewebe zusammenziehen und entspannen. „Diese Eigenschaft nutzen wir für die Entwicklung unserer Aktuatoren“, erklärt Rizzello. Durch präzise Variation des elektrischen Feldes können die Ingenieure das Elastomer zu hochfrequenten Vibrationen oder stufenlos veränderlichen Biegebewegungen veranlassen oder es sogar in einer bestimmten Zwischenposition fixieren.
Die Forscher kombinieren dann eine große Anzahl dieser winzigen „Muskeln“ zu einem flexiblen Roboterarm. In dieser Form, die einen Roboterarm bildet, erzeugt die Interaktion der Muskeln Bewegungen, die denen eines Oktopusarms ähneln, der sich in alle Richtungen drehen kann. Anders als die schweren, starren Roboterarme, die derzeit im Einsatz sind und sich – ähnlich wie Menschen – nur in bestimmte Richtungen bewegen können, sind diese neuen Robotertentakel nahezu frei beweglich. Gianluca Rizzello und sein Doktorand Johannes Prechtl gewannen kürzlich den Best Paper Award auf der RoboSoft 2021 Konferenz für ihre Arbeit an einem Prototyp eines Tentakels auf Basis eines dielektrischen Elastomers – eine von zahlreichen Auszeichnungen für das Forschungsteam von Professor Seelecke. Das Team rechnet damit, den vollständig entwickelten Tentakelprototyp innerhalb eines Jahres fertigzustellen.
Wenn es darum geht, Polymermaterialien Intelligenz zu verleihen, ist Gianluca Rizzello ein wahrer Experte. Er versorgt die Steuereinheit (das „Gehirn“ des Roboters) mit den notwendigen Daten, um den Arm intelligent zu bewegen – eine äußerst komplexe und anspruchsvolle Aufgabe. Diese Systeme sind weitaus komplexer als die heutigen Roboterarme. „Die Steuerung polymerbasierter Komponenten mithilfe künstlicher Intelligenz ist wesentlich schwieriger als die Steuerung herkömmlicher mechatronischer Systeme“, erklärt Rizzello. Da die Elastomermuskeln auch sensorische Eigenschaften besitzen, können sie als Nerven des Systems fungieren, wodurch der Roboterarm keine zusätzlichen Sensoren benötigt. Jede Verformung des Elastomers, jede Änderung seiner Geometrie, bewirkt eine Änderung der Materialkapazität. So kann das Team jeder spezifischen Verformung des Elastomers einen präzisen elektrischen Kapazitätswert zuordnen. „Durch die Messung der Kapazität wissen wir genau, welche Form das Elastomer angenommen hat, und können so Daten vom Sensor gewinnen“, erklärt Rizzello. „
Diese quantitativen Daten können dann verwendet werden, um die Bewegung des Elastomerarms präzise zu modellieren und zu programmieren.“ Rizzlels Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung intelligenter Algorithmen, die diese neuartigen Roboterarme trainieren, sich wie gewünscht zu bewegen und zu reagieren. „Wir versuchen herauszufinden, welche physikalischen Eigenschaften für das Verhalten dieser Polymere verantwortlich sind.“ „Je mehr wir wissen, desto präziser können wir die Algorithmen zur Steuerung der Elastomermuskeln entwickeln“, sagt Dr. Rizzello.
Die im Saarland entwickelte Technologie ist skalierbar. Sie kann zur Herstellung von Miniatur-Tentakeln für medizinische Instrumente oder zur Fertigung großer Roboterarme für industrielle Anwendungen eingesetzt werden. Anders als die heute verwendeten schweren Roboterarme werden Roboterarme aus intelligenten Elastomeren deutlich leichter sein. Unsere Roboterarme benötigen weder Motoren noch Hydraulik- oder Pneumatiksysteme; sie funktionieren einfach durch Anlegen von elektrischem Strom. Darüber hinaus lassen sich die Elastomermuskeln in Formen herstellen, die den Anforderungen einer spezifischen Anwendung entsprechen. Und sie verbrauchen sehr wenig elektrische Energie. Je nach Kapazität liegen die fließenden Ströme im Mikroampere-Bereich. „Diese Art von Soft-Robotik-Technologie ist sehr vielversprechend für die Zukunft, da ihre Herstellung energieeffizient und kostengünstig ist“, fasst Stefan Seelecke zusammen.
Diese Forschung wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP2100 „Robotiksysteme aus weichen Materialien“ gefördert.
