Starke Muskeln für softe Roboter
Ferroelektrisches Material, eine Elektrodenschicht, umhüllt von einer Polymer-Hülle – so sieht ein künstlicher Muskel für Softroboter der ETH Zürich aus.
Softroboter mit künstlichen Muskeln könnten ganz anders mit ihrer Umwelt interagieren als ihre Kollegen aus Metall oder anderen harten Materialien: Sie könnten beispielsweise wie die Gliedmaßen von Menschen Stöße abfedern oder mit Feingefühl etwas greifen. Auch aus energetischer Sicht ist dies interessant, denn bisherige Antriebe benötigen meist viel Energie, um eine Position halten zu können, während weiche Systeme Energie auch gut speichern können. Nach dem Vorbild des menschlichen Muskels haben Forscher der ETH Zürich rund um Robotikprofessor Robert Katzschmann daher nun künstliche Muskeln entwickelt, die leichter, robuster und sicherer sind als ihre Vorgängermodelle.
Künstliche Muskeln für Softroboter haben heute zu hohe Spannung
Die Idee, künstliche Muskeln zu entwickeln, ist nicht neu, nur gibt es bislang ein wesentliches Problem bei der Umsetzung: Die Aktuatoren funktionierten nur mit einer enorm hohen Spannung von circa 6.000 bis 10.000 V. Das hat gleich mehrere Auswirkungen: So mussten diese bis jetzt an große, schwere Spannungsverstärker angeschlossen werden, sie funktionierten nicht in Wasser und waren auch für Menschen nicht ganz ungefährlich.
Stephan-Daniel Gravert, der als wissenschaftlicher Assistent bei Katzschmann im Labor arbeitet, hat eine neuartige Hülle für den Beutel konzipiert. Ein Beutel steht dabei analog für kurzes Bündel an Muskelfasern. Er ist mit einer Flüssigkeit – meist Öl – gefüllt und dessen Hülle enthält Elektroden. Die Forscher nennen die neuen künstlichen Muskeln Halve-Aktuatoren, eine Abkürzung für Hydraulically Amplified Low-voltage Electrostatic, zu Deutsch also hydraulisch verstärkter elektrostatischer Niederspannungs-Aktuator. „Bei anderen Aktuatoren liegen die Elektroden außen an der Hülle. Bei unseren besteht die Hülle aus verschiedenen Schichten“, erklärt Gravert. „Wir haben ein hochpermittives ferroelektrisches Material, also eines, das verhältnismäßig hohe Mengen an elektrischer Energie speichern kann, kombiniert mit einer Schicht aus Elektroden und diese dann mit einer Polymer-Hülle überzogen, die sehr gute mechanische Eigenschaften hat und den Beutel stabiler macht.“ Dadurch konnten die Forscher auch die benötigte Spannung reduzieren, weil die viel höhere Permittivität des ferroelektrischen Materials große Kräfte trotz geringer Spannung zulässt. Hier geht es zur Veröffentlichung der Ergebnisse in Science Advances.
Greifer zeigt, was der künstliche Muskel draufhat
Gravert und seine Kollegen haben die Hülle der Halve-Aktuatoren übrigens nicht nur mitentwickelt, sondern sie auch gleich noch selbst im Labor für zwei konkrete Roboter hergestellt. Das erste Objekt ist ein 11 cm hoher Greifer. Er hat zwei Finger, die durch je drei hintereinander geschaltete Beutel des Aktuators bewegt werden. Er wird dazu über ein kleines, batteriebetriebenes Netzteil mit 900 V Spannung versorgt. Akku und Netzteil wiegen zusammen nur 15 g. Der gesamte Greifer wiegt inklusive Leistungs- und Regelungselektronik nur 45 g. Der Greifer kann ein glattes Kunststoffobjekt ausreichend fest greifen, um sein eigenes Gewicht zu tragen, wenn das Objekt mit einer Schnur in die Luft gehoben wird. „Dieses Beispiel zeigt sehr gut, wie, klein, leicht und effizient diese Aktuatoren sind. Das bedeutet auch, dass wir dem Ziel, integrierte Muskel-betriebene Systeme zu erschaffen, einen großen Schritt näher gekommen sind“, freut sich Katzschmann.
Das zweite Objekt ist ein knapp 30 cm langer Roboterfisch, der geschmeidig durchs Wasser schwimmt. Er besteht aus einem Kopf, der die Elektronik enthält, und einem flexiblen Körper, an dem die Halve-Aktuatoren befestigt sind. Die Aktuatoren bewegen sich abwechselnd rhythmisch, was die Schwimmbewegung erzeugt. So erreicht der kabellose Fisch aus dem Stillstand in 14 s eine Geschwindigkeit von 3 cm/s – und das in normalem Leitungswasser.
Wasserdicht und sich selbst verschließend
Dies zeigt eine weitere Neuerung der Halve-Aktuatoren: Da die Elektroden nicht mehr ungeschützt außen an der Hülle sitzen, sind die künstlichen Muskeln nun wasserdicht und können auch in leitenden Flüssigkeiten eingesetzt werden. „Man kann diese elektrostatischen Aktuatoren also im Wasser betreiben oder zum Beispiel anfassen“, erklärt Katzschmann. Durch den schichtartigen Aufbau der Beutel sind die neuen Aktuatoren zudem wesentlich robuster als andere künstliche Muskeln.
Die Beutel sollen sich ja idealerweise sehr viel und schnell bewegen. Nur kleinste Produktionsfehler – etwa ein Staubkorn zwischen den Elektroden – kann dabei zu einem elektrischen Durchschlag führen – einer Art Mini-Blitzschlag. „Bei früheren Modellen hieß das: die Elektrode verbrennt, es entsteht ein Loch in der Hülle, die Flüssigkeit tritt aus und der Aktuator ist defekt“, erklärt Gravert. Bei den Halve-Aktuatoren ist dieses Problem gelöst, denn ein einzelnes Loch verschließt sich durch die schützende Kunststoff-Außenschicht quasi von selbst. Der Beutel bleibt auch nach einem Durchschlag meist voll funktionsfähig.
Technologie soll zur industriellen Reife gebracht werden
Katzschmann: „Nun muss diese Technologie zur industriellen Reife gebracht werden, das können wir nicht hier im ETH-Labor leisten. Ohne zu viel verraten zu wollen, kann ich aber sagen, dass es bereits Interesse von Firmen gibt, die mit uns zusammenarbeiten möchten.“ Möglich wäre zum Beispiel, dass künstliche Muskeln bei neuartigen Robotern, Prothesen oder sogenannten Wearables, also am Körper getragene Technologien, eingesetzt werden. sk
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