3D-Drucken kann die Robotik durch Biomimetik sicherer machen

Eine Studie, die in diesem Monat in Advanced Intelligent Systems veröffentlicht wurde, stellt eine neue Form von robotischen Aktuatoren vor, die Biomimetik verwendet, um Bewegungen zu erzeugen, die denen der Muskeln ähneln. Diese weichen Aktuatoren ermöglichen es Ingenieuren, flexible Geräte zu entwickeln, die einzigartige Aufgaben wie Biegen oder Formänderung ausführen können. Hier sind die wichtigsten Punkte, die Sie wissen sollten.

Weiche Robotik

Weiche oder “nicht-kompatible” 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 ist der Markt für weiche Robotik im Aufschwung, mit Analysten, die ein Wachstum von 55,4% bis 2029 vorhersagen.

Probleme mit herkömmlichen Aktuatoren

Ein Faktor, der das Wachstum des Sektors der weichen Robotik weiterhin behindert, ist die derzeitige Auswahl an Aktuatoren. Jeder Aktuator ermöglicht eine weitere Bewegungsrichtung für die Einheit. Diese Geräte erzeugen jedoch harte Punkte in nicht-kompatiblen robotischen Strukturen. Diese harten Punkte verhindern eine wahre Freiheit der Bewegung.
Darüber hinaus ist für jeden Bewegungsbereich ein weiterer Aktuator erforderlich. Sie können daher zum Gewicht und zu den Kosten dieser Geräte beitragen. Schwerere Roboter verbrauchen mehr Energie, was sie weniger nützlich, effizient und produktiv macht.

Verwendung von Biomimetik zur Erstellung eines besseren Aktuators

Die Studie untersucht eine neue Form von weichem Aktuator, der menschlichen Muskeln ähnelt, indem er sich gleichzeitig dehnt und zusammenzieht. Diese Kombination erzeugt mehr Kraft und ermöglicht es dem Körper, diese Kraft effizienter zu übertragen. Bisher konzentrierten sich robotische Ingenieure hauptsächlich auf Aktuatoren, die sich ausdehnen und zusammenziehen konnten, mit wenig Bedenken hinsichtlich ihrer Steifigkeit während des Prozesses.

Quelle – Advanced Intelligent Systems

Forscher

Forscher der Northwestern und der McCormick School of Engineering arbeiteten zusammen, um die Möglichkeiten einer neuen Art von biomimetischem Aktuator zu erforschen. Die Studie wurde von Taekyoung Kim geleitet. Er erhielt Hilfe von Pranav Karthik, Ryan Truby und Junior Professor of Materials Science and Engineering und Mechanical Engineering an der McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Zusammen erstellte dieses innovative Team einen neuen Herstellungsprozess und funktionsfähige Prototypen und führte eine umfassende Forschung zu ihrem neuen biomimetischen Aktuator durch.

Ein neuer Stil von Aktuator

Der erste Schritt, den das Team unternahm, war, den Körper ihres Geräts mittels 3D-Druck zu erstellen. Die Forscher mussten eine Struktur finden, die sich biegen und drehen konnte, aber auch Druck aushalten, wenn erforderlich. Insbesondere hat das Design Blasen, die sich automatisch durch Torsionsknicken bei zunehmendem Drehmoment verformen. Diese Bewegung erzeugt eine helicale Form, die Drehmomente effizient übertragen kann.

Besseres Material für den Job

Sie erkannten früh, dass die normalen 3D-Druck-Aktuator-Materialien nicht flexibel genug wären, um die Aufgabe zu erfüllen. Nach viel Überlegung wurde beschlossen, Thermoplastischen Polyurethan für ihr Gerät zu verwenden. Dieses Material wird in vielen Dingen verwendet, die Sie täglich benutzen. Es ist das gummiartige Material, das Ihr Handy-Case und andere Besitztümer verwenden, um geschützt zu bleiben. Beachtenswert ist, dass dieses Material dehnbar ist und Drehmomente aushalten kann, wenn erforderlich.

Einziger Motor

Eine der größten Änderungen, die die Forscher an herkömmlichen Aktuatoren vornahmen, war die Eliminierung der Notwendigkeit für mehrere Motoren. Ihr Gerät konnte eine Vielzahl von Formen bilden und in mehrere Richtungen gehen, einfach indem es den einzigen Motor drehte, der das Gerät verlängerte und zusammenzog.

Einzigartige Bewegungen

Der Ein-Motor-Entwurf bietet diesen Robotern maximale Flexibilität. Es kann sich ausdehnen und drehen, um den Anforderungen seiner Umgebung und Ziele zu entsprechen. Darüber hinaus reduziert der Ein-Motor-Entwurf die Kosten und kann die Konstruktion zukünftiger Geräte vereinfachen.

Roboter-Kriecher

Das erste Gerät, das das Team erstellte, war ein 26 Zentimeter langer Roboter-Kriecher. Diese Einheit kann sich ausdehnen und biegen, je nach Drehmoment, das durch den Servo erzeugt wird. Der Roboter kann sich wie ein Wurm bewegen, indem er eine Zugbewegung erzeugt, die es ihm ermöglicht, sich durch komplexe Umgebungen mit 32 Zentimetern pro Minute zu bewegen.
Die Forscher testeten ihren Kriecher in einem öffentlichen Video. Die Einheit kann sich durch eine komplexe Rohrleitung bewegen, die erfordert, dass der Roboter enge Kurven ausführt, um sich zu befreien. Das Gerät konnte die engen Windungen problemlos durchqueren.
Die Ergebnisse des Kriecher-Tests waren positiv. Der Roboter kann sich um 45% verlängern, was es ihm ermöglicht, lang und dünn zu werden, wenn erforderlich. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die Einheit eine maximale Blockierkraft von etwa 8 N hat.

Künstlicher Bizeps

Das nächste Prototyp, das das Team vorstellte, war ein robotischer Bizeps. Diese Einheit integriert eine 6-Achsen-Lastzelle, einen linearen Führungsantrieb und einen einzelnen Servo, um Drehmoment und Bewegung zu erzeugen, die denen eines menschlichen Bizeps ähneln.
Das Gerät besteht aus dem gleichen gummiartigen Material wie der weiche Schaft. Dieses Design bietet nichtlineare, viskoelastische Antworten. Diese Aktionen resultieren in einer Hysteresis-Kraft-Verlagerungsantwort, die es dem Gerät ermöglicht, Gegenstände wie einen menschlichen Arm zu krümmen.
Die Ingenieure testeten ihren robotischen Bizeps, um seine Fähigkeiten zu überprüfen. Die Einheit hob erfolgreich ein 500-Gramm-Gewicht 5.000 Mal ohne Ausfall. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wiederholbarkeit und Wirksamkeit des neuen Ansatzes für Roboter-Bewegungen.

Test

Die Testphase bot den Forschern wertvolles Feedback, das sie nutzen werden, um ihre zukünftigen Entwürfe zu verbessern. Die Ingenieure waren bestrebt, wichtige Informationen wie Aktuator-Drehmoment, Druck und Zugkraft, Zugfestigkeit und andere wichtige Belastungstests zu erfassen, die dazu beitragen können, die maximalen Fähigkeiten der neuen Konstruktion zu bestimmen.

Vorteile

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

Roboter sicherer machen

Einer der Hauptgründe, warum es einen Trend zur Erstellung von weichen Robotern gibt, ist, dass sie sicherer sind, wenn man in ihrer Nähe arbeitet. Je mehr Hersteller versuchen, Robotik in ihre Arbeitskräfte zu integrieren, desto häufiger wird es vorkommen, dass Menschen und Roboter Seite an Seite arbeiten. Weiche Roboter sind in den meisten Szenarien bessere Arbeitskollegen als herkömmliche Roboter.
Weiche Roboter können in Umgebungen arbeiten, in denen herkömmliche Roboter als zu gefährlich gelten würden. Beispielsweise könnten sie in der Zukunft dazu beitragen, Vieh zu züchten. Derzeit sind diese Geräte jedoch besser für menschliche Umgebungen geeignet als herkömmliche harte Roboter.

Geringe Kosten

Einer der größten Vorteile der Studie ist die Kosteneinsparung. Die Erstellung von robotischen Servern und harten Robotern ist eine teure Aufgabe, die hauptsächlich auf große Hersteller beschränkt war. Kürzliche Durchbrüche haben dazu beigetragen, das Spielfeld für kleinere Betriebe zu ebnen.
Diese neueste Entwicklung senkt die Kosten weiter. Laut der Dokumentation der Forscher kosteten die Robot-Prototypen, die sie verwendeten, nur 3 US-Dollar an Materialien, ohne den Servo. Diese günstige Alternative öffnet die Tür für eine weitere Integration, da es viele Aufgaben gibt, die Roboter ausführen könnten, aber Kosteneinschränkungen ihre Verwendung bisher auf bestimmte Bereiche beschränkt haben. Bald könnten günstige weiche Roboter in Ihrem täglichen Leben zu finden sein.

Verwendung von herkömmlichen 3D-Druckern

Ein weiterer Durchbruch war die Einführung eines 3D-Drucker-freundlichen biomimetischen Aktuators. Die Fähigkeit, diese Geräte mit einem herkömmlichen 3D-Drucker herzustellen, bedeutet, dass jeder die Ergebnisse der Forscher nutzen und neue innovative weiche robotische Designs erstellen kann.

Integriert

Die Forscher sind stolz darauf, dass ihr neuer Aktuator nahtlos in die heutigen robotischen Designs integriert werden kann. Dieser Schritt wird dazu beitragen, die Akzeptanz zu fördern und die Innovation zu beschleunigen. Es hilft auch den Entwicklern, sofortiges Feedback auf ihre Forschung zu erhalten, da mehr Ingenieure ihre Strategie nutzen.

Aktuelle Marktführer

Der Markt für weiche Roboter hat einige ernsthafte Wettbewerber unter den Top-Spielern. Eine kürzliche Studie ergab, dass nur 5 Top-Hersteller 40% des Marktes für weiche Roboter kontrollieren. Die gleiche Studie ergab, dass Nordamerika bei der Akzeptanz führend ist. Zu den Top-Herstellern gehören Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories und Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne ist ein Cybernetik-Technologie-Unternehmen, das darauf abzielt, künstliche Intelligenz, Robotik und Informationssysteme zu kombinieren, um ein neues Level an Effizienz und Fähigkeiten zu schaffen. Das Unternehmen ist ein Pionier auf dem Cybernetik-Markt und wird als einer der führenden Forscher und Hersteller von weichen robotischen Geräten anerkannt.
Cyberdyne hat ein beeindruckendes Wachstum erlebt. Das Unternehmen sah sein Umsatzvolumen von 2,15 Milliarden Yen auf 3,29 Milliarden Yen in nur einem Jahr ansteigen. Ein Großteil dieses Wachstums kann auf erfolgreiche Unternehmungen im Bereich der medizinischen Ausrüstung zurückgeführt werden.

2. Soft Robotics

Soft Robotics ist ein weiterer wichtiger Spieler in diesem Sektor. Dieses Unternehmen spezialisiert sich auf automatisierte Fertigung und landwirtschaftliche Aufgaben. Ihre Geräte integrieren fortschrittliche visuelle Inspektionslösungen und künstliche Intelligenz-Algorithmen, um sicherzustellen, dass ihre Geräte Gegenstände mit Präzision aufnehmen, sortieren und bestimmen können.
Soft Robotics stellt eine weiche Greifhand vor, die 3D-Vision und künstliche Intelligenz nutzt, um komplexe Aufgaben zu erfüllen, die bisher nur von Menschen möglich waren. Diese Geräte ermöglichen es Züchtern, mit hoher Geschwindigkeit zu pflücken, zu sortieren und zu verpacken. Beachtenswert ist, dass Soft Robotics ein gutes Beispiel dafür ist, wie weiche Roboter die Produktivität verbessern können.

3. Ekso Bionics Holdings

(EKSO )

Ekso Bionics Holdings ist ein globaler Marktführer im Bereich der Exoskelett-Technologie. Die Technologie des Unternehmens dient mehreren Rollen, die sich über Gesundheitswesen und Fertigung erstrecken. Sie bieten derzeit eine Vielzahl von Exoskeletten an, die speziell für Rehabilitation, Therapie und zur Unterstützung von Menschen mit Mobilitätsproblemen entwickelt wurden.
Ekso bietet sowohl Exoskelette für den Oberkörper als auch für den unteren Körper an. Diese Geräte ermöglichen es dem Träger, weiter zu gehen, mehr zu heben und mehr Belastungen ohne Erschöpfung zu bewältigen. Die Positionierung und die Pionierprodukte des Unternehmens haben dazu beigetragen, massive Umsatzgewinne seit 2022 zu erzielen.

Unternehmen, die von dem biomimetischen Aktuator profitieren könnten

Viele Unternehmen könnten von der Studie der Forscher profitieren und ihre aktuellen Angebote verbessern. Diese Unternehmen sind bereits auf dem Markt tätig und bieten Produkte an, die durch diese Technologie in Bezug auf höhere Effizienz, geringere Overhead-Kosten oder bessere Angebote verbessert werden könnten.

ReWalk Robotics

ReWalk ist ein Anbieter von bionischen Gehsystemen. Das Unternehmen hat Tausenden von Menschen geholfen, ihre Mobilität wiederzuerlangen, dank seiner innovativen Herangehensweise und seines Fokus. ReWalk Robotics strebt danach, Menschen mit Querschnittslähmung zu helfen, ihre Lebenskontrolle wiederzuerlangen, indem sie ihre einzigartigen Produkte nutzen.
Der ReWalk-bionische Gehassistent verfügt über servo-gesteuerte Beinmanschetten, einen Akku-Rucksack und eine Fernbedienung am Handgelenk. Dieses Gerät kann so eingestellt werden, dass es sich bewegt, wenn es angestoßen wird, oder automatisch Bewegungen erkennt. In diesem Modus kann das System die Aktionen des Trägers mit minimalem Aufwand verstärken.
ReWalk Robotics hat eine Konsensbewertung von “Kaufen” aufgrund seiner Positionierung auf dem Markt. Das Unternehmen setzt seine innovative Herangehensweise und Produkte fort. Die Einführung zusätzlicher Technologien wie künstlicher Intelligenz 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 an, die effiziente Sortierlösungen für den Markt bieten sollen. Das Unternehmen strebt danach, Einzelhändlern zu ermöglichen, ihre Online-Commerce-Aktivitäten mit Hilfe ihrer Robotersortier-Optionen zu straffen.
Beachtenswert ist, dass Righthand Robotics mehrere Auszeichnungen für seine Bemühungen erhalten hat. Das Unternehmen wurde als “Unternehmen des Jahres für Robotik” bei den New England Venture Capital Association (NEVY) Awards für seine Arbeit auf dem Gebiet ausgezeichnet.

Biomimetik wird das Leben für alle einfacher machen

In der Zukunft werden Roboter viele Positionen innehaben. Weiche Roboter werden diese Integration vorantreiben, da sie besser geeignet sind, neben Menschen zu arbeiten, als herkömmliche Einheiten. Derzeit könnte die Forschung, die diese Ingenieure durchgeführt haben, dazu beitragen, Roboter von seltenen zu sehr erschwinglichen Optionen zu machen, die jeder kaufen kann. Es ist daher ratsam, diese Entwicklungen zu beobachten, während sie sich entfalten.
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