Verbesserung der weichen Robotik mit ‘Embodied Energy’ eröffnet neue Möglichkeiten

Robotik ist ein schnell wachsender Markt, prognostiziert sich von 94,54 Milliarden US‑Dollar im Jahr 2024 auf über 372,59 Milliarden US‑Dollar bis 2034 auszudehnen. 

Industrielle Roboter treiben dieses Wachstum derzeit an. Heute sind mehr als 3,4 Millionen industrielle Roboter im Einsatz, um unser Leben zu erleichtern. Industrieunternehmen planen außerdem, in den nächsten fünf Jahren 25 % ihres Kapitals in industrielle Automatisierung zu investieren.

Während die Robotik weiter an Bedeutung gewinnt, zieht ein Teilbereich der Robotik ebenfalls die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich. Da die Nachfrage nach Robotern in Anwendungen jenseits der industriellen Automatisierung steigt, gewinnt das Teilgebiet der weichen Robotik zunehmend an Interesse.

Diese Roboter imitieren die Fortbewegungsmechanismen weicher und flexibler Körper in der Natur, wie Schlangen, Regenwürmer, Aale, Oktopusse und andere. 

Weiche Robotik lässt sich von den biologischen Strukturen dieser weichen Körper für ihre geschmeidige und komplexe Bewegung inspirieren. Statt harter, metallischer Komponenten wie bei herkömmlichen Robotern zu verwenden, werden weiche Roboter typischerweise aus nachgiebigen Materialien wie Gel und Gummi hergestellt. Dies ermöglicht ihnen, sich an komplexe Umgebungen anzupassen und sicher mit Menschen zu interagieren.

Für ihre Aktuation werden verschiedene Methoden eingesetzt, wie Wärmereize, elektrische Signale und Luftdruck, unter anderem. Die Quellen ihrer Aktivierung befinden sich in der Regel außerhalb des Roboters und steuern dessen Bewegungen.

Diese Roboter bieten Vorteile in Bezug auf Anpassungsfähigkeit und erhöhte Sicherheit. Der Einsatz flexibler und leichter Materialien macht diese Maschinen besonders für die direkte Interaktion mit Menschen geeignet, da das Verletzungsrisiko reduziert wird. Dies macht sie in Anwendungen wie dem Gesundheitswesen und der Wearable‑Technologie äußerst nützlich.

Flexible Gelenke und weiche Greifer ermöglichen es diesen Robotern, sich leicht zu biegen, zu verdrehen und zu strecken. Die Fähigkeit, biologische Bewegungen auszuführen, macht sie einsetzbar bei Aufgaben, die für Menschen unsicher sein könnten oder ein hohes Maß an Kontrolle erfordern. Ihre strukturelle Flexibilität und Geschicklichkeit machen sie zudem geeignet für den Umgang mit zerbrechlichen Gegenständen und andere empfindliche Aufgaben.

Natürlich stehen weiche Roboter auch vor Herausforderungen wie begrenzter Stärke, geringer Präzision, niedriger Haltbarkeit, Schwierigkeiten bei Herstellung und Skalierung sowie dem Bedarf an fortschrittlichen Algorithmen und umfangreichen Sensorsystemen.

Da die Fähigkeiten weicher Roboter jedoch eng mit denen weicher biologischer Organismen übereinstimmen, stellen sie ein vielversprechendes Potenzial in verschiedenen Bereichen wie dem Gesundheitswesen, der Landwirtschaft, der Suche und Rettung sowie der Weltraumerforschung dar.

Mehrere vielversprechende weiche Roboter wurden bereits entwickelt. Zum Beispiel der Tentakel‑Roboter von Harvard, dessen medusenähnlicher weicher Greifer zerbrechliche Objekte sanft greifen kann, indem er die Mechanik von lockigem Haar nachahmt.

Im Gesundheitswesen kann K‑FLEX vom Korea Advanced Institute of Science and Technology narbenfreie endoskopische Operationen durchführen, und das bionische Herz von MIT unterstützt Mediziner dabei, Herz‑Kreislauf‑Erkrankungen zu untersuchen und die optimale Behandlung für Patienten zu bestimmen.

Weiche Roboter werden auch zur Erkundung der Ozeane eingesetzt. Vor einigen Jahren stellten chinesische Forscher einen selbstversorgten weichen Roboter vor, der den tiefsten Punkt – den Marianengraben – erreichen kann. Im Hinblick auf die Weltraumerkundung können von der NASA geförderte grabende weiche Roboter sandiges Terrain bewältigen und könnten eines Tages zu den Jupitermonden geschickt werden.

Da die Forschung zu weichen Robotern voranschreitet, kann man sogar erwarten, dass sie starre Roboter in verschiedenen Anwendungen ersetzen. 

Die Evolution der weichen Roboterarten

Eine neue Studie der Cornell Engineering hat einen kabellosen terrestrischen Kriechroboter mit einem integrierten modularen Energiesystem im gesamten weichen Körper vorgestellt. 

Bevor dieses Wurm‑Robotermodell entwickelt wurde, baute das Labor in Zusammenarbeit mit der Archer Group der Cornell Engineering einen Quallen‑Roboter. Beide sind direkte Nachfahren eines wässrigen weichen Roboters, der vor sechs Jahren vorgestellt wurde. 

Im Jahr 2019 stellten Forscher der Cornell University ein Paper¹ mit dem Titel „Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.“ vor. Das System, das Redox‑Flussbatterien nachahmte, kombinierte die Funktionen der hydraulischen Kraftübertragung, Aktuation und Energiespeicherung in einem Design, das die Energiedichte des Roboters erhöhte und einen Betrieb von bis zu 36 Stunden ermöglichte. 

Dafür ließen sich die Forscher von einem Feuerfisch inspirieren, der wellenförmige, fächerartige Flossen nutzt, um durch Korallenriff‑Umgebungen zu gleiten.

Damals bemerkten die Forscher, dass „dieser Einsatz von elektrochemischer Energiespeicherung in Hydraulikflüssigkeiten die Energiedichte, Autonomie, Effizienz und Multifunktionalität zukünftiger Roboterdesigns erhöhen könnte.“

Vor einigen Monaten erschien ein neues Paper², „The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot“, das veröffentlicht wurde. Dieses Mal wurde ein RFB in Form einer Qualle geformt, was eine multifunktionale Nutzung von Energie ermöglicht.

Quallen bestehen größtenteils aus einer Substanz namens „Mesogla“, die als internes Skelett dient. Dieses Material macht den Körper der Qualle elastisch und hilft, seine Form nach einer Deformation durch Muskelkontraktion wiederherzustellen. Die Mesogla besteht aus fibrillinhaltigen Mikrofibrillen, die die Qualle nutzt, um ihre Muskeln zu betreiben und gleichzeitig Bewegung und Nahrungsaufnahme zu ermöglichen.

Der Roboter wurde ausschließlich von RFBs mit erhöhter volumetrischer und arealer Energiedichte angetrieben, was zu einer langen Betriebsdauer für UUVs führte, die hauptsächlich aus Flüssigkeit bestehen und elektrochemisch energiedicht sind.

Jetzt hat die Forschung³ weitere Fortschritte gemacht, ähnlich wie das Leben an Land, angetrieben durch Batterientwicklung und -design. 

„So entwickelte sich das Leben an Land. Man beginnt mit dem Fisch, dann erhält man einen einfachen Organismus, der vom Boden unterstützt wird. Der Wurm ist ein einfacher Organismus, hat aber mehr Freiheitsgrade.“

Das gleiche „Roboterblut“, d. h. die Hydraulikflüssigkeit, die Energie speicherte und frühere Roboteranwendungen antrieb, unterstützt nun auch die neue Roboterart. Dieses Mal haben die Forscher das Design weiter verbessert, um eine höhere Batteriekapazität und Leistungsdichte zu erreichen.

Die Qualle, bemerkte Shepherd, hat ein viel höheres Kapazitäts‑zu‑Gewicht‑Verhältnis. Dies verlängerte die Zeit, die der Roboterfisch reisen konnte, was länger war als bei einem echten Fisch. Jetzt ist ihre erste oberirdische Version der Wurm, der unter Wasser Auftrieb erhält und kein Skelett benötigt, was bedeutet, dass er nicht starr sein muss.

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Embodied Energy als Antrieb für weiche Roboter

Mit wachsendem Bedarf an höherer Agilität in der Robotik steigt auch deren Komplexität. Das bedeutet eine Zunahme der Dichte von Sensoren und Freiheitsgraden (DoF), also der unabhängigen Bewegungen eines Objekts.

Infolgedessen wird der Stromverbrauch der Roboter voraussichtlich ebenfalls steigen, was die Energiekapazität zu einem wichtigen zu berücksichtigenden Faktor macht.

Hier kommt Embodied Energy ins Spiel. Es ist eine Designstrategie, die die Energiedichte auf Systemebene durch die multifunktionale Nutzung eingebetteter Energiequellen verbessert. Dieser Ansatz integriert im Grunde Energiequellen in den Körper der Maschine, wodurch Kosten und Gewicht reduziert werden.

Der von dem Organic Robotics Lab entwickelte Modellwurm‑Roboter und deren Qualle demonstrieren beide die Vorteile dieser ‚Embodied Energy‘. 

Indem die in Batterien gespeicherte Energie in einen integralen Teil der Struktur und Mechanik des Roboters eingebettet wird, konnten die Forscher bessere Ergebnisse erzielen. Die Studie stellte fest:

„Durch die Integration einer Energiequelle in motorgetriebene Sehnen‑Aktuatormodule entsteht eine künstliche Muskelseinheit, die sich zu Robotern zusammensetzen lässt, die über lange Zeiträume nützliche Arbeit verrichten können.“

Beide Roboter verfügen über eine Redox‑Flussbatterie (RFB), eine Art elektrochemisches System, das Energie speichert, die von zwei in Flüssigkeit gelösten chemischen Komponenten bereitgestellt wird. 

Im Fall des qualenförmigen Roboters wurde die RFB mit einer Sehne gebaut. Wenn die Sehne gezogen wird, ändert sie die Form der Glocke und drückt das Wesen nach oben, sinkt wieder, wenn die Glocke entspannt.

Wichtiger ist, dass der Quallen‑Roboter ein Paar Redox‑Batterien aufweist: Zinkiodid (ZnI2) und Zinkbromid (ZnBr2). Brom wurde zu dem Iod in einer der Batterien hinzugefügt, um den Ionentransport zu verbessern, wodurch die Batteriekapazität und Leistungsdichte erhöht wurden. Infolgedessen war der Quallen‑Roboter schneller und agiler und hatte eine Betriebsdauer von etwa 90 Minuten.

Um das Problem der Dendritbildung auf den elektrischen Substraten der Batterien, die deren Laden und Entladen behindert, zu umgehen, nutzten die Forscher Graphen. Der Einsatz von Graphen ermöglichte eine bessere Anpassung an die Kristallflächen und ein gleichmäßigeres Plattieren des Zinks. 

Der Wurm‑Roboter weist ein compartmentalisiertes Design auf. Der Körper des Wurms besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Pods, von denen jeder einen Motor und einen Sehnen‑Aktuator enthält, um dem Wurm zu ermöglichen, seine Form zu komprimieren und zu expandieren. Jeder Pod enthält zudem einen Stapel von Anolyten‑Beuteln, die in einem Katholyten‑Medium eingetaucht sind.

Ein wesentliches Element des Designs war die Verwendung einer Trockenhaftungsmethode, um Nafion‑Separatoren automatisch am Silikon‑Urethan‑Copolymer‑Körper des Wurms zu befestigen. Der Separator hält Anolyte und Katholyte getrennt, lässt jedoch den Ladungstransfer zwischen ihnen zu, wodurch Elektronen durch den Motor fließen.

„Es gibt viele Roboter, die hydraulisch angetrieben werden, und wir sind die Ersten, die Hydraulikflüssigkeit als Batterie nutzen, was das Gesamtgewicht des Roboters reduziert, weil die Batterie zwei Zwecke erfüllt: Sie liefert Energie für das System und liefert die Kraft, um ihn zu bewegen. So kann man Dinge wie einen Wurm haben, bei dem fast die gesamte Energie … so dass er lange Strecken zurücklegen kann.“

– Shepherd

Bei den Tests des Wurm‑Roboters stellten die Forscher fest, dass er sowohl am Boden kriechen als auch in einer vertikalen Röhre auf‑ und abwärts bewegen kann. Während der Wurm‑Roboter einen geschlossenen, gekrümmten Pfad bewältigen und auf‑ und absteigen kann, ist er recht langsam, jedoch immer noch schneller als andere hydraulisch angetriebene Wurm‑Bots. Bei einer einzigen Ladung benötigt der Wurm 35 Stunden, um 105 Meter zurückzulegen.

Der Wurm kann laut den Forschern in der Erkundung von engen Umgebungen wie langen und schmalen Durchgängen eingesetzt werden und möglicherweise Reparaturen durchführen. Für die Qualle liegt der Anwendungsfall in der Ozeanerforschung. 

Unterstützt vom Office of Naval Research und dem Basic Energy Sciences Program des Department of Energy ist diese Forschung erst der Anfang, da sich zukünftige Arbeiten auf eine vollständig flüssige RFB konzentrieren werden. Die Studie stellte fest, dass die Polysulfid‑Iodid‑Batterie, mit ihrer hohen Energiedichte und niedrigen Kosten, insbesondere vielversprechend für Anwendungen in der weichen Robotik ist.

Letztendlich strebt das Team an, Hochkapazitäts‑Roboter mit Embodied Energy zu bauen. Diese zukünftigen Roboter werden zudem ein Skelett besitzen und sogar gehen können, wodurch Roboter entstehen, die Menschen ähneln.

„Ein unvollkommenes Lebewesen. Aber immer noch ziemlich gut.“

– Shepherd

Relevante Unternehmen

Werfen wir nun einen Blick auf einige börsennotierte Unternehmen, die das Feld der Robotik voranbringen. 

1. iRobot Corporation

Ein globales Unternehmen für Konsumenten‑Roboter, iRobot ist in die Entwicklung, den Bau und den Verkauf langlebiger Roboter involviert. Zu seinen Produkten gehören Roomba, Braava und Root. iRobot hat weltweit zig‑millionen seiner Roboter verkauft.

Mit einer Marktkapitalisierung von 231 Millionen US‑Dollar werden iRobot‑Aktien derzeit zu 7,59 US‑Dollar gehandelt, ein Rückgang von 2,45 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -4,60, während das KGV (TTM) -1,64 beträgt.

Kürzlich meldete das Unternehmen vorläufige Finanzergebnisse für das vierte Quartal 2024, wonach ein Umsatz von 171 Millionen US‑Dollar und ein GAAP‑Betriebsverlust von 59 Millionen US‑Dollar erwartet werden. Außerdem wird erwartet, dass die liquiden Mittel am Ende des Geschäftsjahres 2024 etwa 134 Millionen US‑Dollar betragen.

Die Ergebnisse, sagte CEO Gary Cohen, „spiegeln höhere als erwartete saisonale Werbeausgaben wider, um den Verkauf vor unseren Produkteinführungen 2025 anzukurbeln.“ Er fügte hinzu, dass iRobot „grundlegend die Art und Weise verändert hat, wie wir innovieren, entwickeln und unsere Roboter, bauen“, und dass die geplanten Produkteinführungen „die darauf abzielen, Verbraucher mit funktionsreichen Robotern zu begeistern und das Kundenerlebnis zu verbessern“ im Zeitplan für die Veröffentlichung in diesem Jahr liegen.

2. Teradyne

Ein globaler Anbieter von automatisierten Testgeräten und Robotiklösungen, Teradyne operiert über vier Segmente, die sich auf Halbleiter, drahtlose Produkte, Systeme für Speicher, Luft‑ und Raumfahrt sowie Leiterplatten konzentrieren, sowie Robotik, die Roboterarme, autonome mobile Roboter und fortschrittliche Roboter‑Steuerungssoftware umfasst.

Das Unternehmen hat weltweit mehr als 80.000 fortschrittliche Robotersysteme eingesetzt und über 700 Millionen US‑Dollar in fortschrittliche Robotik und Automatisierung investiert. Teradynes MiR‑Roboter optimieren den internen Transport und die Materialhandhabung, während seine Cobots ein breites Anwendungsspektrum unterstützen. Seine Automatisierungslösungen ermöglichen Unternehmen, ihre operative Effizienz zu steigern, indem sie die Leistungsfähigkeit von Maschinen integrieren.

Mit einer Marktkapitalisierung von 18,74 Milliarden US‑Dollar werden Teradyne‑Aktien derzeit zu 116 US‑Dollar gehandelt, ein Rückgang von 8,61 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt 3,32, während das KGV (TTM) 34,68 beträgt. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 0,42 %.

Für das vierte Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 753 Millionen US‑Dollar, davon 98 Millionen US‑Dollar aus dem Bereich Robotik, während der Rest aus dem Halbleitersegment stammt. Der GAAP‑Nettoertrag für das Quartal betrug 146,3 Millionen US‑Dollar bzw. 0,90 US‑Dollar pro verwässerter Aktie. 

CEO Greg Smith führte dieses Wachstum auf starke KI‑Rechenleistung und zugehörigen Speicher zurück, während Mobile und Auto/Industrial die Erwartungen übertrafen. Eine Beschleunigung des Umsatzes wird für dieses Jahr erwartet, wobei Teradyne plant, sein Robotikgeschäft strategisch neu auszurichten, um das Kundenerlebnis zu verbessern und die operative Effizienz zu steigern.

3. Zimmer Biomet

Ein globales Medizintechnologieunternehmen, Zimmer Biomet (ZBH ) ist in Biologika, Sportmedizin, Extremitäten, Trauma‑Produkte, chirurgische Produkte und eine Reihe von Robotiktechnologien involviert, die Daten, Datenanalyse und KI nutzen. 

Mit einer Marktkapitalisierung von 22 Milliarden US‑Dollar werden Zimmer Biomet‑Aktien derzeit zu 110,10 US‑Dollar gehandelt, ein Anstieg von 4,72 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt 5,25, während das KGV (TTM) 21,07 beträgt. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 0,87 %.

Für das dritte Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Nettoumsatz von 1,824 Milliarden US‑Dollar, was einer Steigerung von 4 % gegenüber dem Vorjahr entspricht, während der Nettogewinn 249,1 Millionen US‑Dollar betrug. Der verwässerte Gewinn pro Aktie für das Quartal lag bei 1,23 US‑Dollar, während der bereinigte verwässerte Gewinn pro Aktie 1,74 US‑Dollar betrug. Nach dieser „starken Leistung“ sagte CEO Ivan Tornos, sie würden ihre „Mission fortsetzen, Millionen von Menschen zu helfen, Schmerzen zu lindern und ihre Lebensqualität zu verbessern.“ 

In diesem Zeitraum erwarb das Unternehmen OrthoGrid Systems, ein Medizintechnologieunternehmen, das sich auf KI‑gesteuerte chirurgische Führungssysteme für die totale Hüftendoprothese konzentriert. Es plant zudem die Übernahme von Paragon 28, einem Medizingeräteunternehmen, in einem Deal über 1,1 Milliarden US‑Dollar zur Behandlung von Fuß‑ und Sprunggelenkserkrankungen.

Fazit

Mit steigender Nachfrage nach Automatisierung und Effizienz wächst auch die Beliebtheit der Robotik. Vor diesem starken Wachstumshintergrund erlebt das Teilgebiet der weichen Robotik zahlreiche Innovationen, die neue Anwendungen im Gesundheitswesen, in der Erkundung und in der industriellen Automatisierung ermöglichen. 

Die Evolution der weichen Robotik – die Anpassungsfähigkeit, inspiriert von lebenden Organismen, mit Embodied Energy kombiniert – birgt das Potenzial, die langjährigen Beschränkungen von Haltbarkeit und Energieeffizienz endlich zu überwinden. Während Forscher, unterstützt durch staatliche Initiativen, das Robotdesign und multifunktionale Energiequellen weiter verfeinern, werden diese Maschinen allmählich Realität, verbessern Zugänglichkeit, Effizienz und Sicherheit.

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