3D-Druck kann Robotik durch Biomimetik sicherer machen

Eine im Advanced Intelligent Systems veröffentlichte Studie stellt diesen Monat eine neue Form von Roboterantrieb vor, die Biomimetik nutzt, um Bewegungen zu erzeugen, die denen Ihrer Muskeln ähneln. Diese weichen Aktuatoren ermöglichen es Ingenieuren, flexible Geräte zu bauen, die einzigartige Aufgaben wie Biegen oder Formveränderungen ausführen können. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Weiche Robotik

Weiche oder „nicht‑komforme“ Roboter sind ein wachsendes Feld mit unbegrenztem Potenzial. Diese Geräte können sich verschieben und falten, um in enge Spalten, um Ecken und in andere Szenarien zu passen, in denen ein starres Gerät versagen würde. Daher wächst der Markt für weiche Robotik, wobei Analysten bis 2029 ein CAGR von 55,4 % prognostizieren.

Probleme mit herkömmlichen Aktuatoren

Ein Faktor, der das Wachstum des weichen Robotik‑Sektors weiterhin begrenzt, ist die aktuelle Auswahl an Aktuatoren. Jeder Aktuator ermöglicht einen weiteren Bewegungsvektor für die Einheit. Diese Geräte erzeugen jedoch harte Punkte in nicht‑komformen Roboterstrukturen. Diese harten Punkte verhindern echte Bewegungsfreiheit.

Zusätzlich ist für jeden Bewegungsbereich ein weiterer Aktuator erforderlich. Dadurch können Gewicht und Kosten dieser Geräte steigen. Schwerere Roboter verbrauchen mehr Energie, was sie weniger nützlich, effizient und produktiv macht.

Biomimetik zur Schaffung eines besseren Aktuators nutzen

Die Studie untersucht eine neue Form von weichem Aktuator, der den menschlichen Muskeln stärker ähnelt, da er gleichzeitig dehnt und kontrahiert. Diese Kombination erzeugt mehr Kraft und ermöglicht es, diese Kraft effizienter zu übertragen. Bisher konzentrierten sich Robotik‑Ingenieure hauptsächlich auf Aktuatoren, die sich ausdehnen und zusammenziehen konnten, wobei die Steifigkeit während des Prozesses kaum beachtet wurde.

Quelle – Advanced Intelligent Systems

Forscher

Forscher der Northwestern University und der McCormick School of Engineering haben sich zusammengeschlossen, um die Möglichkeiten eines neuen Typs von biomimetischem Aktuator zu untersuchen. Die Studie wurde von Taekyoung Kim geleitet. Er erhielt Unterstützung von Pranav Karthik, Ryan Truby und dem Juniorprofessor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen sowie Maschinenbau an der McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Gemeinsam entwickelte dieses innovative Team einen neuen Fertigungsprozess und funktionierende Prototypen und führte eingehende Forschungen zu ihrem neuen biomimetischen Aktuator durch.

Ein neuer Stil von Aktuator

Der erste Schritt des Teams bestand darin, den Körper ihrer Einheit mit 3D‑Druck zu fertigen. Die Forscher mussten eine Struktur finden, die sich biegen und verdrehen kann, aber dennoch bei Bedarf Druck standhält. Konkret verfügt das Design über Bälge, die sich bei steigenden Drehmomenten automatisch durch Torsionsknicken verformen. Dieser Vorgang erzeugt eine helikale Form, die die Torsionsbelastung effizient übertragen kann.

Besseres Material für die Aufgabe

Sie erkannten früh, dass die üblichen 3D‑Druck‑Aktuatormaterialien nicht flexibel genug wären, um die Aufgabe zu erfüllen. Nach intensiver Überlegung wurde beschlossen, Thermoplastisches Polyurethan für ihr Gerät zu verwenden. Dieses Material findet sich in vielen Alltagsgegenständen. Es ist das gummiartige Material, das in Handyhüllen und anderen Gegenständen zum Schutz verwendet wird. Besonders bemerkenswert ist, dass dieses Material dehnbar ist und bei Bedarf Torsionsmomenten standhalten kann.

Einzelner Motor

Eine der größten Änderungen gegenüber herkömmlichen Aktuatoren, die die Forscher vorgenommen haben, war die Abschaffung mehrerer Motoren. Ihr Gerät kann durch Drehen des einzelnen Motors zahlreiche Formen annehmen und in verschiedene Richtungen zeigen, wodurch es sich ausdehnt und zusammenzieht.

Einzigartige Bewegungen

Das Einzel‑Motor‑Design verleiht diesen Robotern maximale Flexibilität. Es kann sich ausdehnen und verdrehen, um den Anforderungen seiner Umgebung und seiner Ziele gerecht zu werden. Zudem senkt das Einzel‑Motor‑Design die Kosten und kann die Konstruktion zukünftiger Geräte vereinfachen.

Roboter‑Crawler

Das erste von dem Team entwickelte Gerät war ein 26 cm langer Roboter‑Crawler. Diese Einheit kann sich je nach vom Servo aufgebrachten Drehmoment ausdehnen und biegen. Der Roboter kann sich wie ein Wurm bewegen, indem er eine ziehende Bewegung erzeugt, die ihm ermöglicht, mit 32 cm pro Minute durch komplexe Umgebungen zu navigieren.

Das Team testete ihren Crawler in einem öffentlichen Video. Die Einheit ist zu sehen, wie sie sich durch ein komplexes Rohr bewegt, das den Roboter zwingt, enge Kurven zu meistern, um zur Freiheit zu gelangen. Das Gerät konnte die engen, gewundenen Kurven problemlos bewältigen.

Die Ergebnisse des Crawler‑Tests fielen positiv aus. Der Roboter kann sich um 45 % verlängern, wodurch er bei Bedarf lang und dünn werden kann. Außerdem stellte das Team fest, dass die Einheit eine maximale blockierte Schubkraft von etwa 8 N besitzt.

Künstlicher Bizeps

Der nächste Prototyp, den das Team demonstrierte, war ein robotischer Bizeps. Dieses Gerät integrierte eine 6‑Achsen‑Kraftmesszelle, eine lineare Führung und einen einzelnen Servo, um ein Drehmoment und eine Bewegung zu erzeugen, die einem menschlichen Bizeps ähneln.

Das Gerät besteht aus demselben Gummimaterial wie die weiche Welle. Dieses Design liefert nichtlineare, viskoelastische Reaktionen. Diese führen zu einer Hysterese‑Kraft‑Weg‑Antwort, die es dem Gerät ermöglicht, Gegenstände wie ein menschlicher Arm zu umschlingen.

Die Ingenieure testeten ihren robotischen Bizeps, um seine Fähigkeiten zu prüfen. Die Einheit hob erfolgreich ein 500 g‑Gewicht 5 000 mal ohne Ausfall. Diese Ergebnisse zeigen die Wiederholbarkeit und Wirksamkeit des neuen Ansatzes für Roboterbewegungen.

Test

Die Testphase lieferte den Forschern wertvolles Feedback, das sie nutzen werden, um ihre zukünftigen Designs anhand dieser Daten zu verbessern. Die Ingenieure wollten wichtige Informationen erfassen, darunter Aktuatortorque, Druck‑ und Zugkraft, Zugfestigkeit und weitere wesentliche Belastungstests, die helfen, die maximalen Fähigkeiten der neuen Konstruktion zu bestimmen.

Vorteile

Die Studie der Forscher könnte erhebliche Auswirkungen auf den Markt haben. Das Feld der weichen Robotik expandiert weiter, und je mehr dieser Geräte in die Produktion gehen, desto deutlicher werden ihre Vorteile. Hier sind nur einige der Möglichkeiten, wie diese Forschung den Markt für weiche Robotik vorantreiben könnte.

Roboter sicherer machen

Einer der Hauptgründe für die Entwicklung weicher Roboter ist, dass sie viel sicherer im Umgang sind. Je mehr Hersteller Robotik in ihre Belegschaft integrieren, desto häufiger werden Menschen und Roboter Seite an Seite arbeiten. Weiche Roboter sind in den meisten Szenarien aus vielen Gründen ein deutlich besserer Arbeitsbegleiter.

Zum einen ist es weniger wahrscheinlich, dass sie Ihnen Schaden zufügen, wenn Sie mit ihnen zusammenstoßen. Auf ein Metallrohr zu stoßen, ist bereits schmerzhaft genug. Der Schmerz kann verstärkt werden, wenn das Metallgerät in Bewegung ist und Sie trifft. Weiche Roboter würden helfen, kleinere Verletzungen durch leichte Stöße und Kollisionen zu vermeiden.

Weiche Roboter können in Umgebungen arbeiten, in denen herkömmliche Roboter als zu gefährlich gelten würden. Zum Beispiel könnten sie künftig bei der Viehzucht helfen. Derzeit sind diese Geräte im Vergleich zu traditionellen harten Robotern besser für menschenzentrierte Umgebungen geeignet.

Niedrige Kosten

Einer der größten Vorteile der Studie sind die Einsparungen. Die Herstellung von robotischen Servicerobotern und harten Robotern ist eine teure Aufgabe, die sie seit Jahrzehnten hauptsächlich großen High‑End‑Herstellern vorbehalten hat. Aktuelle Durchbrüche haben das Spielfeld für kleinere Unternehmen ausgeglichen.
Diese neueste Entwicklung senkt die Kosten weiter. Laut den Unterlagen der Forscher kosteten die von ihnen verwendeten Roboterprototypen nur 3 $ an Materialien, ohne den Servo. Diese kostengünstige Alternative eröffnet mehr Integrationsmöglichkeiten, da es viele Aufgaben gibt, die Roboter übernehmen könnten, deren Einsatz jedoch bisher durch Kostenbeschränkungen begrenzt war. Bald könnten kostengünstige weiche Robotik im Alltag zu finden sein.

Reguläre 3D‑Drucker verwenden.

Ein weiterer Durchbruch war die Einführung eines 3D‑Drucker‑freundlichen biomimetischen Aktuators. Die Möglichkeit, diese Geräte mit einem handelsüblichen 3D‑Drucker zu fertigen, bedeutet, dass jeder die Ergebnisse der Studie der Forscher integrieren und neue, innovative weiche Robotik‑Designs erstellen kann.

Integriert

Die Forscher sind stolz darauf, dass ihr neuer Aktuator nahtlos in die heutigen Robotik‑Designs integriert werden kann. Dieser Schritt wird die Akzeptanz fördern und Innovationen vereinfachen. Außerdem erhalten Entwickler sofortiges Feedback zu ihrer Forschung, wenn immer mehr Ingenieure ihre Strategie nutzen.

Aktuelle Marktführer

Der Markt für weiche Robotik ist unter den Top‑Anbietern stark umkämpft. Eine aktuelle Studie ergab, dass nur fünf führende Hersteller 40 % des weichen Robotik‑Marktes kontrollieren. Dieselbe Studie stellte fest, dass Nordamerika bei der Einführung die Führung übernimmt. Zu den führenden Herstellern gehören Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories und Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne ist ein Unternehmen für Kybernetik‑Technologie, das KI, Robotik und Informationssysteme miteinander verknüpfen will, um ein neues Niveau an Effizienz und Fähigkeiten zu schaffen. Das Unternehmen ist ein Pionier im Kybernetik‑Markt und wird als einer der führenden Forscher und Hersteller von weichen Robotikgeräten anerkannt.

Cyberdyne verzeichnete ein beeindruckendes Wachstum. Das Unternehmen steigerte seinen Umsatz in einem Jahr um +52 % von 2,15 Mrd. ¥ auf 3,29 Mrd. ¥. Ein großer Teil dieses Wachstums ist auf erfolgreiche Aktivitäten im Bereich Medizintechnik zurückzuführen.

2. Soft Robotics

Soft Robotics ist ein weiterer wichtiger Akteur in diesem Sektor. Das Unternehmen spezialisiert sich auf automatisierte Fertigungs‑ und Agraraufgaben. Seine Geräte integrieren fortschrittliche visuelle Inspektionslösungen und KI‑Algorithmen, um sicherzustellen, dass sie Gegenstände präzise greifen, sortieren und bestimmen können.

Soft Robotics stellt eine weiche Greifhand vor, die 3D‑Vision und KI nutzt, um komplexe Aufgaben zu bewältigen, die früher nur Menschen möglich waren. Diese Geräte ermöglichen Landwirten ein Hochgeschwindigkeits‑Picken, -Sortieren und -Verpacken. Besonders bemerkenswert ist, dass Soft Robotics ein hervorragendes Beispiel dafür ist, wie weiche Roboter die Produktivität steigern können.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Exoskelett‑Technologie. Die Technologie des Unternehmens erfüllt mehrere Rollen im Gesundheitswesen und in der Fertigung. Sie bieten derzeit verschiedene Exoskelette an, die speziell für Rehabilitation, Therapie und die Unterstützung von Menschen mit Mobilitätsproblemen entwickelt wurden.

Ekso bietet sowohl Oberkörper‑ als auch Unterkörper‑Exoskelette an. Diese Geräte ermöglichen es dem Träger, weiter zu reisen, mehr zu heben und mehr Belastungen ohne Erschöpfung zu bewältigen. Die Positionierung des Unternehmens und seine wegweisenden Produkte haben seit 2022 zu enormen Umsatzsteigerungen geführt.

Unternehmen, die vom biomimetischen Aktuator profitieren könnten

Viele Unternehmen könnten die Studie der Forscher nutzen und ihre aktuellen Angebote verbessern. Diese Unternehmen sind bereits am Markt aktiv und bieten Produkte an, die durch diese Technologie in Bezug auf höhere Effizienz, geringere Kosten oder bessere Leistungen verbessert werden könnten.

ReWalk Robotics

ReWalk ist ein Anbieter von bionischen Gehsystemen. Das Unternehmen hat dank seines innovativen Ansatzes und Fokus Tausenden von Menschen geholfen, ihre Mobilität zurückzugewinnen. ReWalk Robotics möchte Querschnittsgelähmten mithilfe ihrer einzigartigen Produkte die Kontrolle über ihr Leben zurückgeben.

Der bionische Gehassistent ReWalk verfügt über servo‑betriebene Beinschnallen, einen Rucksack‑Akku und eine am Handgelenk montierte Fernbedienung. Dieses Gerät kann so eingestellt werden, dass es bei Aufforderung bewegt oder automatisch Bewegungen erkennt. In diesem Modus kann das System die Aktionen des Trägers mit minimalem Aufwand unterstützen.

ReWalk Robotics hat aufgrund seiner Marktposition eine Konsensbewertung von “buy“. Das Unternehmen treibt die Entwicklung mit seinen einzigartigen Designs und Produkten weiter voran. Die Einführung zusätzlicher Technologien, wie KI und biomimetischer Aktuatoren, könnte die Kosten ihrer Einheiten in Zukunft erheblich senken.

RightHand Robotics

RightHand Robotics ist ein weiterer Hersteller von weichen Robotern. Das Unternehmen hat seinen Sitz in Boston und bietet eine Auswahl an Produkten, die effiziente Pick‑Lösungen für den Markt bereitstellen. Das Unternehmen möchte Einzelhändler befähigen, mit Hilfe ihrer robotergestützten Sortieroptionen einen optimierten Online‑Handel zu betreiben.
Bemerkenswert hat RightHand Robotics mehrere Auszeichnungen für seine Bemühungen erhalten. Das Unternehmen wurde bei den New England Venture Capital Association (NEVY) Awards als Robotics Company of the Year für seine Arbeit in diesem Bereich ausgezeichnet.

Biomimetik wird das Leben für alle einfacher machen.

In Zukunft werden Roboter noch viel mehr Aufgaben übernehmen. Weiche Roboter werden diese Integration vorantreiben, da diese Geräte besser geeignet sind, neben Menschen zu arbeiten als herkömmliche Einheiten. Derzeit könnte die von diesen Ingenieuren durchgeführte Forschung dazu beitragen, Roboter von seltenen zu hoch erschwinglichen Optionen zu machen, die jeder erwerben kann. Daher ist es ratsam, diese Entwicklungen aufmerksam zu verfolgen, während sie sich entfalten.

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