Sind Keramiken der Schlüssel zur Erweiterung der Sinne in der weichen Robotik, um Berührung und Temperatur einzubeziehen?

Ob Sie wollen oder nicht, Ihr nächster Kollege könnte ein Roboter sein. Heute arbeiten immer mehr Menschen Seite an Seite mit autonomen Maschinen. Diese Geräte eignen sich ideal für Aufgaben, die vom Sortieren von Gegenständen bis hin zu chirurgischen Eingriffen reichen. Daher besteht ein großer Bedarf, das Sinnesrepertoire zu erweitern, damit diese Geräte ihre Umgebung besser verstehen können.

Roboter, die fühlen und Gegenstände wie eine menschliche Hand manipulieren können, sind auf dem Weg. Kürzlich hat ein Team von Empa‑Ingenieuren das Konzept der fühlenden Roboter einen Schritt weiterentwickelt. Hier erfahren Sie alles, was Sie darüber wissen müssen, wie Keramik der Schlüssel zur Schaffung von Robotern sein könnte, die Temperatur, Berührung, Druck und mehr wahrnehmen.

Studie zu intelligenten Keramiken

Die Studie „Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots“,¹ veröffentlicht in Advanced Intelligent Systems, beschreibt, wie Ingenieure fortschrittliche Keramiken nutzten, um robotische Komponenten zu schaffen, die fühlen können. In dem Papier gehen die Ingenieure ausführlich auf die Entwicklung künstlicher Fühlgeräte ein, die elektrische Impulse und Sensoren nutzen, die direkt in die Oberfläche der Robotik integriert sind.

Weiche Keramiken

Um das Projekt zu verstehen, müssen Sie zunächst erkennen, dass Keramiken in vielen verschiedenen Formen vorkommen. Während Sie vielleicht an Dekorations- oder Küchenartikel denken, gibt es auch Hochleistungskeramiken. Diese Bauteile leiten Strom und bieten heute für viele Elektronikgeräte eine stabile Struktur. Bemerkenswerterweise begannen die Forscher ihre Arbeit damit, verschiedene Keramiken zu testen, um deren Verhalten und Fähigkeiten zu erfassen.

Während der Versuche beschrieb das Team, wie sie das Material in winzige Partikel zerlegten. Die Partikel wurden anschließend in eine thermoplastische Matrix eingebettet. Interessanterweise wurde ein professioneller 3D‑Drucker eingesetzt, um sicherzustellen, dass der Einbettungsprozess präzise durchgeführt wurde. Danach wurde das dehnbare Plastik manipuliert, sodass die Ingenieure das Verhalten des Materials bei verschiedenen Elastizitäten und Positionen beobachten konnten.

Test von Hochleistungskeramiken

Die weichen Sensormaterialien wurden getestet, um festzustellen, ob sie Temperatur, Dehnung, Druck oder Feuchtigkeit erfassen können. Diese Geräte konnten die verschiedenen Sinne mittels elektrischer Impulse registrieren. Anschließend nutzte das Team die keramische Feldmatrix, um eine Prothesenhand zu erstellen.

Prothesenhand

Die Prothesenhand wurde anschließend verwendet, um die Genauigkeit und Empfindlichkeit der weichen Sensoren zu testen. Die in der Hand eingesetzten Sensoren wurden speziell entwickelt, um Wärme und Druck zu erfassen. Darüber hinaus konnte das Material seine Position relativ zu anderen Teilen der Hand bestimmen. Die Studie kam zu dem Schluss, dass das Team erfolgreich eine Hand geschaffen hat, die den ausgeübten Druck spüren und sogar reagieren kann, wenn sie eine andere Person berührt.

Roboterhaut

Der nächste Schritt der Forscher war der Versuch, eine Roboterhaut zu entwickeln. Das Team begann mit der Herstellung einer mehrschichtigen Keramikmatrix. Die Matrix wurde mit Keramikpartikeln gefüllt, die in einer speziellen Schichtanordnung angeordnet waren, um Berührungs- und Temperaturänderungen zu überwachen. Diese robotische Haut wurde so gestaltet, dass sie wie menschliche Haut aussieht und sich anfühlt, was sie zu einer intelligenten Lösung für Roboter macht, die in der Nähe von Menschen arbeiten. Anschließend begann das Team mit der Entwicklung eines KI‑Modells.

Intelligente Prothese

Ein KI‑Modell steuert die Reaktionen der Hand basierend auf Umgebung und Bedingungen. Konkret wurde das KI‑Modell mit 4500 Messungen und Muskelbewegungen trainiert. Dieses Training wurde gemeinsam mit Ingenieuren der ETH Zürich und der Universität Tokio durchgeführt. Die Prothese verwendet gewebeintegrierte piezoresistive Sensoren, die es dem Gerät ermöglichen, aus Bewegungen Energie zu erzeugen und damit auf Batterien zu verzichten.

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Studie zeigen genau, wie ein Roboter entwickelt werden kann, der sicher neben Menschen arbeiten kann. Diese Geräte können erkennen, wenn sie mit einer Person zusammenstoßen, und sogar zurückziehen, um Verletzungen zu verhindern. Darüber hinaus lernt die KI des Systems ständig aus jeder Interaktion, wodurch es sich um den ersten propriozeptiven biohybriden Roboter handelt, der fühlen kann.

Potenzielle Anwendungen

Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie. Die Kombination fortschrittlicher KI‑Systeme mit fühlenden Robotern wird zur Entwicklung sichererer Maschinen führen. Diese Einheiten können Aufgaben erledigen, die bisher nur Menschen vorbehalten waren. Außerdem werden sie vielseitiger, da sie ihre Umgebung wahrnehmen und ihre Handlungen an die jeweiligen Bedingungen anpassen können.

Weiche Robotik

Weiche Robotik umfasst Geräte, die weiche Materialien anstelle traditioneller Methoden verwenden. Weiche Roboter gibt es in vielen Formen. Beispielsweise müssen robotische Sortierer Früchte und andere empfindliche Produkte greifen und transportieren, ohne Schaden zu verursachen. Diese Geräte werden durch die Einführung von empfindlicher Haut und weiteren Modifikationen, die ihnen ein handähnliches Arbeiten ermöglichen, ein großes Upgrade erfahren.

Weiche Roboter haben aus mehreren Gründen kürzlich großes Interesse geweckt. Sie können mit Ihnen zusammenstoßen, ohne Ihnen zu schaden. Außerdem können diese Geräte ihre Form häufig ändern, um schwieriges Terrain zu bewältigen. Diese Entwicklung wird dafür sorgen, dass weiche Roboter bald Temperatur und Druck wahrnehmen können.

Gesundheitswesen

Mehrere Unternehmen spezialisieren sich auf robotische Chirurgen. Diese Geräte arbeiten mit Präzisions‑ und Optiksensoren, um die Einheit zu steuern. Die Einführung von Druck‑ und Temperatursensoren würde es diesen Robotern ermöglichen, komplexere Operationen durchzuführen und dabei die Bedingungen des Patienten im Blick zu behalten.

Insbesondere könnten intelligente Prothesen Millionen von Patienten zu einer besseren Lebensqualität verhelfen. Diese Produkte der nächsten Generation könnten mehrere Sinne integrieren und dem Patienten ein natürliches Erlebnis bieten. Darüber hinaus könnte die Kombination dieser Technologie mit jüngsten Durchbrüchen bei Gehirn‑Controllern dazu führen, dass Ersatzprothesen der Patienten leistungsfähiger werden als die ursprünglichen.

Suche und Rettung

Weiche Roboter haben im Bereich Suche und Rettung eine besondere Aufgabe gefunden. Diese Geräte können raue Umgebungen durchqueren, die für Menschen oft unzugänglich sind. Sie können wie Schlangen winden oder die Form winziger Insekten annehmen. Beeindruckend ist, dass diese Geräte bereits in Katastrophengebieten eingesetzt wurden, wo sie Leben retteten. Die Roboter können in gefährliche Katastrophenzonen eindringen und dringend benötigte Hilfe leisten, bevor andere Einsatzkräfte eintreffen.

In Zukunft könnte dieses Gerät Menschen in Not lokalisieren und sogar routinemäßige Vitalwertmessungen durchführen, wodurch Rettungskräfte wichtige Daten zum Zustand des Patienten erhalten. Außerdem würden diese Roboter die beste Route zur Bergung der verletzten Person beurteilen, indem das Gerät Rettungskräfte vor Gefahren wie Hitze oder Chemikalien warnt.

Landwirtschaft

Landwirte weltweit suchen ständig nach einfachen Möglichkeiten, die Effizienz zu steigern. Mit dem wachsenden Weltbevölkerung setzen Landwirte ihre Innovationen fort, um die steigende Nachfrage zu decken. Weiche Robotik kann ihnen beim Vorbereiten, Pflanzen, Ernten und der Qualitätskontrolle ihrer Lebensmittel helfen. Diese Geräte können KI‑Systeme integrieren, um ihre Fähigkeiten weiter zu verbessern, sodass sie mit hoher Genauigkeit bestimmen können, ob ein Obst reif oder verdorben ist.

Forscher

Das Labor für Hochleistungskeramiken von Empa leitete die Studie. Das Team arbeitete mit der University of Cambridge zusammen, um die KI‑gesteuerte Prothesenlimbe zu entwickeln. Jetzt möchte das Team seine Bemühungen ausweiten, fortschrittlichere Robotik zu schaffen und die Fähigkeiten seines KI‑Modells zu erweitern.

Unternehmen, die von dieser Forschung profitieren könnten

Die Robotikbranche wächst. Daher können Sie in den kommenden Jahren damit rechnen, dass mehr Einheiten in die Fertigungslinien kommen. Roboter reduzieren Risiken und Kosten und verbessern die Qualität. Folglich wollen immer mehr Unternehmen sie integrieren. Hier ist ein Unternehmen, das in den kommenden Monaten optimal positioniert ist, um von dieser Forschung zu profitieren.

Zebra Technologies

Zebra Technologies (ZBRA ) trat 1969 in den Markt ein, ursprünglich als Data Specialties Incorporated. Die Gründer des Unternehmens, Ed Kaplan und Gerhard Cless, wollten ein Software‑ und Hardwareunternehmen gründen, das die Benutzererfahrung verbessert und innovative Lösungen bietet. Sie gelang es, mehrere Technologien zu pioneer, darunter die erste Firma, die einen Barcode‑Scanner anbot.

1986 wurde das Unternehmen in Zebra Technologies umbenannt. Heute ist es ein beliebter Anbieter von Robotik, Dienstleistungen und Softwarelösungen. Insbesondere können der fetch100 Roller und das Fetch100 Shelf Fertigungsanlagen navigieren sowie Kisten autonom sortieren und ausliefern. Der Roboter wird bereits weltweit eingesetzt und hat hohe Bewertungen erhalten.

Zebra Technologies ist aus mehreren Gründen eine kluge Ergänzung für Ihr Portfolio. Zum einen verzeichnet das Unternehmen seit langem ein kontinuierliches Wachstum. Es wurde im Forbes‑Magazin 2002 in der Liste „200 Best Small Companies in America“ erwähnt, neben weiteren Auszeichnungen.

Die Aktie des Unternehmens, ZBRA, hat im Laufe des Jahres ein beträchtliches und stetiges Wachstum verzeichnet. Sie hat eine Marktkapitalisierung von 19,808 Mrd. $ und ein Kurs‑Gewinn‑Verhältnis (TTM) von 51,82. Dieses Wachstum wurde durch die Einführung neuer Produkte sowie die Aktivitäten im Bereich Robotik und KI‑Systeme des Unternehmens ermöglicht.

Keramiken in der Robotik

Der Einsatz von Hochleistungskeramiken in der Robotik wird den Markt künftig verändern. Diese Studie zeigt, dass Roboter so konfiguriert werden können, dass sie ähnlich wie Menschen fühlen, wodurch sie sicherer neben Menschen arbeiten und die Produktivität steigern können. Daher sollten Sie sich auf einen robotischen Kollegen in der Zukunft vorbereiten.

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Studienreferenz:

^{1. Filippi, M., Balciunaite, A., Georgopoulou, A., Paniagua, P., Drescher, F., Nie, M., Takeuchi, S., Clemens, F., & Katzschmann, R. K. (2024). Sensor-embedded muscle for closed-loop controllable actuation in proprioceptive biohybrid robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400413}