Hände wie ein Mensch: Neue additive Fertigung unterstützt Soft‑Robotics beim Realwerden

Im sich schnell entwickelnden Bereich der Robotik entsteht eine neue Grenze, die unser Verständnis des Feldes: Soft‑Robotics neu zu definieren verspricht. Dieser innovative Ansatz macht dank modernster additiver Fertigungstechniken Fortschritte. 

In diesem Artikel erkunden wir das Gebiet der Soft‑Robotics und untersuchen, wie jüngste Fortschritte in der additiven Fertigung diese Technologie vorantreiben.

Was ist Soft‑Robotics?

Soft‑Robotics versucht, Technologien einzuführen, die den physikalischen Merkmalen lebender Organismen näher kommen und die steifen Bewegungen ersetzen, die wir mit Robotern assoziieren. Als eine Form der Biomimikry verlagert sie die konventionellen linearen und starren Eigenschaften der Robotik, um Platz für anspruchsvollere Modelle zu schaffen; Soft‑Robotics ahmt menschliches, tierisches und pflanzliches Leben nach. 

Forscher schätzen, dass der Soft‑Robotics‑Markt in Zukunft zu einer erheblich großen Chance werden wird, wobei das Marktvolumen von über 770 Mio. US$ im Jahr 2022 auf fast 22 Mrd. US$ bis 2030 wachsen soll. Das entspräche einem phänomenalen Wachstum von fast 75 % CAGR. 

Laut dem Harvard Biodesign Lab, das die Technologie der Soft‑Robotics als fluidische Aktuatoren mit elastomerischen Matrizen und eingebetteten flexiblen Materialien wie Stoff, Papier, Fasern und Partikeln versteht, werden Soft‑Robotics wegen ihres geringen Gewichts, ihrer Erschwinglichkeit und einfachen Anpassbarkeit an spezifische Anwendungen immer populärer. 

Einige Anwendungen von Soft Robotics

Das Harvard Biodesign Lab schätzt, dass es heute in den USA vier Millionen chronische Schlaganfallüberlebende mit Hemiparese gibt und weltweit weitere sechs Millionen in anderen entwickelten Ländern. Diese Überlebenden verlieren häufig die motorischen Fähigkeiten ihrer Hände. Soft‑Robotics könnte ihnen helfen, indem es ein modulares, sicheres, tragbares, verbrauchbares Handrehabilitations‑ und Assistenzgerät für den Heimgebrauch entwickelt. 

In den Vereinigten Staaten liegt das lebenslange Risiko, an Herzinsuffizienz zu erkranken, bei fast 20 %. Durch die Nutzung der Technologie hinter Soft‑Robotics entwickelt das Labor einen Tisch‑Herz‑Simulator und ein Direct Cardiac Compression (DCC)‑Gerät, das bei der Behandlung von Herzinsuffizienz helfen soll. 

Mit all diesen nützlichen Anwendungen und mehr kann Soft‑Robotics weltweit eine bedeutende Rolle bei der Patientenrehabilitation und der Verbesserung der Lebensqualität spielen. Jede Technologie, die die Weiterentwicklung von Soft‑Robotics unterstützt, ist daher positiv. Heute besprechen wir einige dieser Fertigungstechniken. 

3‑D‑Druck oder additive Fertigungstechnologie in der Soft‑Robotics

3D‑Druck, auch bekannt als additive Fertigung, befasst sich mit der Herstellung dreidimensionaler Objekte aus einer digitalen Datei. Er wird additive Fertigung genannt, weil sein Entwicklungsprozess inhärent additiv ist. 

Im additiven Fertigungsprozess wird ein Objekt durch das schichtweise Auftragen von Material erzeugt, bis die gewünschte Endform erreicht ist. 

Jede dieser Schichten ist lediglich ein dünn geschnittener Querschnitt des gewünschten Objekts. Additive Fertigung unterscheidet sich von der traditionellen subtraktiven Fertigung, bei der Teile der gewünschten Form und Größe aus einem großen Block des Ausgangsmaterials herausgeschnitten werden. 

3D‑Druck oder additive Fertigung umfasst in der Regel ein 3D‑Modell, eine 3D‑Software und einen 3D‑Drucker. Das Verfahren findet bereits Anwendung bei der Herstellung von Konsumgütern, Industrieprodukten, Dentalprodukten, Prothesen, architektonischen Modellen und Maquettes, rekonstruierten Fossilien, Repliken antiker Artefakte, forensischen Evidenzrekonstruktionen, Filmrequisiten und vielem mehr. 

Jetzt hat es eine Nutzbarkeit im anspruchsvolleren Feld der Soft‑Robotics gefunden. ETH Zürich und das US‑Startup Inkbit haben dies gemeinsam ermöglicht. 

Während Inkbit ein MIT‑Spin‑off ist, geht die Universität für Wissenschaft und Technologie Zürich (ETH) auf das Jahr 1855 zurück, „als die Gründer des modernen Schweiz sie als Zentrum für Innovation und Wissen gründeten.“

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Die Technologie im Detail

Der Durchbruch

Der Durchbruch, den die Forschung von ETH Zürich und Inkbit erzielt hat, besteht darin, dass der Materialumfang, der in der additiven Fertigung bzw. im 3D‑Druck verwendet werden kann, erweitert wurde. Während die Technologie früher nur auf schnell härtende Kunststoffe beschränkt war, ist sie nun auch für langsam härtende Kunststoffe geeignet. Diese Erweiterung bietet zahlreiche Vorteile. 

Die Vorteile

• Langsam härtende Kunststoffe besitzen verbesserte elastische Eigenschaften.
• Sie sind langlebiger und robuster.
• Langsam härtende Kunststoffe ermöglichen den 3D‑Druck komplexer und haltbarerer Roboterkomponenten.
• Die Technologie ist mit einer Vielzahl hochwertiger Materialien kompatibel.
• Die erweiterte Materialpalette erleichtert die Kombination von weichen, elastischen und starren Materialien.

Und schließlich,

• Sie erfüllen die Anforderung, zarte Strukturen und Bauteile mit Hohlräumen nach Wunsch zu erzeugen. 

Die Anwendung

Durch langsam härtende Kunststoffe ist es nun möglich, die Vorteile von Soft‑Robotics und additiver Fertigung zu verbinden und eine Synergie zu schaffen, die der Menschheit langfristig zugutekommt. 

Die Forscher der ETH Zürich haben erfolgreich eine Roboterhand entwickelt, die alle Eigenschaften der menschlichen Physiologie besitzt, wie Knochen, Bänder und Sehnen. Obwohl sie aus verschiedenen Polymeren besteht, konnte das Endprodukt in einem Durchgang hergestellt werden. 

Laut den Forschern wäre dies nicht möglich gewesen, wenn sie nicht langsam härtende Polymere einbeziehen konnten. Laut Thomas Buchner, Doktorand in der Gruppe von ETH‑Zürich‑Roboterprofessor Robert Katzschmann und Erstautor der Studie:

„Wir verwenden jetzt langsam härtende Thiol‑Ene‑Polymere. Diese besitzen sehr gute elastische Eigenschaften und kehren nach dem Biegen viel schneller in ihren Ursprungszustand zurück als Polyacrylate.“

Die Einbindung von Thiol‑Ene‑Polymeren war ein Wendepunkt für die Herstellung der Hand nach den Prinzipien der Soft‑Robotics. Da die Roboterhand so weich ist wie eine echte menschliche Hand, besteht ein geringeres Verletzungsrisiko und sie kann empfindliche Gegenstände besser handhaben. 

Um Soft‑Robotics und additive Fertigung im selben Prozess zu vereinen, mussten die Forscher einige Modifikationen an der 3D‑Drucktechnologie vornehmen. Sie fügten dem Drucker einen 3D‑Laserscanner hinzu, der jede gedruckte Schicht sofort auf mögliche Oberflächenirregularitäten prüft. 

Die Forscher führten zudem einen Rückkopplungsmechanismus ein, um diese Unregelmäßigkeiten zu kompensieren. Dieser Mechanismus ermöglichte notwendige Anpassungen einer Schicht unter Berücksichtigung von Unebenheiten der vorherigen Schicht. 

Die ETH Zürich nutzte die Unterstützung von Inkbit, dem US‑Startup, um diese Drucktechnologie zu entwickeln. 

Inkbit: Das Drucktechnologie‑Startup

Gegründet 2017 von Davide M. Marini, Javier Ramos und Wojciech Matusik, Inkbit ist ein Series‑B‑Startup mit Sitz in Medford, Massachusetts, USA. Ziel des Unternehmens ist es, eine nächste Generation einer additiven Fertigungsplattform zu schaffen, die 3D‑Druck mit maschinellem Sehen kombiniert. Das Unternehmen innoviert und entwickelt ständig neue Lösungen im Bereich des 3D‑Drucks. Beispielsweise demonstrierte es Mitte November dieses Jahres die Einzeldruck‑Fertigung komplexer multifunktionaler Systeme und Roboter. 

Eine Woche zuvor hatte das Unternehmen TEPU 50A vorgestellt, ein neues weiches‑mittleres Durometer‑Elastomer. 

Es gibt mehrere weitere Akteure in diesem Bereich, die Inkbit bedient. Gemeinsam versuchen sie, den Fortschritt in der Soft‑Robotics durch neue additive Fertigungstechniken voranzutreiben.

Unternehmen mit transformativen additiven Fertigungstechniken zur Förderung von Soft Robotics

#1. Flashforge

Kürzlich wurde ein 3D‑gedruckter modularer Soft‑Greifer mit hochkonformen Soft‑Greifern entwickelt. Die Finger bestanden aus positivdruckenden Soft‑Pneumatik‑Aktuatoren sowie einem mechanischen Metamaterial. Das Metamaterial integrierte eine weiche auxetische Struktur und nachgiebige Rippen. Der im Prozess verwendete 3D‑Drucker war ein kostengünstiger, Open‑Source‑Fused Deposition Modeling‑3D‑Drucker der FlashForge‑Corporation. 

Gegründet 2011 ist die Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD eines der ersten professionellen Unternehmen für Forschung und Entwicklung sowie Fertigung von 3D‑Druckgeräten und -materialien in China. Flashforge‑Produkte reisen in fast 100 Länder und Regionen weltweit. 

Das Unternehmen hat mehr als 600 Marken‑Händler in über 50 Ländern und Regionen im In‑ und Ausland aufgebaut. 

FlashForge USA konzentriert sich darauf, 3D‑Druck für Institutionen, Architekten, Ingenieure, Designer, Industrieanwender sowie den breiten Verbraucher‑ und Prosumer‑Markt allgemein zugänglich zu machen. 

Schätzungsweise erzielt Flashforge einen Umsatz von über 15 Mio. US$, während Flashforge USA mehr als 7 Mio. US$ erwirtschaftet. 

#2. NinjaTek

Unter den vielen Lösungen wurde das Cheetah® 3D‑Druck‑Filament von NinjaTek verwendet, um flexible, lebensnahe Knochen für Prothesenhände zu erzeugen. Das Fingerdesign erforderte das Einbetten eines flexiblen 3D‑gedruckten Knochens in eine Silikonform, um eine realistische, hautähnliche Textur zu erzielen und die Robustheit sowie Festigkeit der Finger zu erhöhen. Das Forscherteam, das die Hand entwickelte, fand das halbflexible Cheetah‑TPU‑Filament von NinjaTek sehr nützlich für das Design des Protheseteils.

NinjaTek ist Teil von Fenner Precision Polymers. Das Unternehmen produziert Spezialfilamente für Endanwender im industriellen 3D‑Druckbereich und ist mittlerweile ein Unternehmen der Michelin‑Gruppe. 

Michelin Group verzeichnete 2022 einen Umsatz von über 28,5 Mrd. Euro, verglichen mit einem Umsatz von knapp 24 Mrd. Euro im Jahr 2021. Das operative Ergebnis als Prozentsatz des Umsatzes lag 2022 bei etwa 12 %. 

#3. Fictiv

Ein weiterer wichtiger Akteur in diesem Feld ist Fictiv, ein Unternehmen, das ein umfassendes Angebot an 3D‑Druck‑Dienstleistungen bietet und ein starkes Engagement zur Förderung von Soft‑Robotics zeigt. Ihre Expertise wird stark nachgefragt, wobei große Med‑Tech‑Unternehmen wie Medtronic die innovativen Services von Fictiv nutzen.

Fictiv ist der Ansicht, dass weiche Roboter anpassungsfähiger und flexibler sind. Sie können „verschiedene Griffdesigns besser verstehen und ihre Bewegungen entsprechend anpassen.“ Außerdem sehen sie weiche Roboter als „pneumatisch betätigt, um Objekte zu greifen, was die einfache Integration von Saugfähigkeiten ermöglicht.“ 

Im Mai 2022 kündigte Fictiv eine Finanzierungsrunde von 100 Mio. US$ in Serie E an an. Die Runde wurde von Activate Capital geleitet, wobei neue Investoren wie die Angeleno Group, Cross Creek und The Westly Group beteiligt waren. Weitere institutionelle Investoren von Fictiv sind Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners und Standard Investments. Die Serie‑E‑Finanzierung brachte die Gesamtinvestitionen in Fictiv seit Gründung 2013 auf 192 Mio. US$. 

3‑D‑Druck oder additive Fertigungstechnologie in Soft Robotics: Was die Zukunft bringt

3D‑Druck bzw. additive Fertigung wird aufgrund seiner hohen Qualität und der Fähigkeit, mehrere Materialien gleichzeitig zu drucken, zu einer Schlüsseltechnologie in der Soft‑Robotics werden. 

Soft‑Roboter bestehen aus Flüssigkeiten, Gelen, funktionalen Polymeren und anderen leicht verformbaren Materialien, die die robotische Lösung auch bei Dehnung und Quetschen funktionsfähig halten. Wichtig ist, dass diese Materialien mit den aktuellen 3D‑Druck‑ bzw. additiven Fertigungstechnologien kompatibel sind, die nicht nur schneller, sondern auch zuverlässiger sind. Um jedoch universell anpassbar zu sein, müssten sie ihre Skalierbarkeit verbessern. 

Ein weiterer Vorteil der neuen additiven Fertigungstechnologien ist ihre hohe Spezifität und die Fähigkeit, die komplexesten Formen zu drucken. 

Neue additive Fertigungstechniken sind zudem nützlich, wenn es darum geht, die Energiequellen zu platzieren, die ein integraler Bestandteil der meisten neu entwickelten Soft‑Roboter sind. Darüber hinaus helfen neue 3D‑Druck‑Techniken, diese intelligent innerhalb der weichen Robotikstrukturen zu positionieren.

Auf der anderen Seite neigen die derzeit verfügbaren 3D‑druckbaren weichen Materialien dazu, sich unter den beim Bau üblichen Kräften aufgrund ihres Eigengewichts zu verformen, was den Einsatz von Stützmaterial erfordert. Diese Herausforderung weist auf ein Feld hin, das weiterentwickelt werden muss. Eine Lösung hierfür sind viskoelastische Hydrogele, die Drücken von Kilopascal bis Megapascal standhalten können. 

Kürzlich hat eine Forschungsgruppe ebenfalls erfolgreich eine omnidirektionale Technik entwickelt, die extrem weiche Materialien wie Flüssigkeiten drucken kann, die später durch Polymerisation fixiert werden. 

Ein weiteres Forschungsteam, bestehend aus Studierenden der Technischen Universität Delft, hat ein weiteres spannendes Feature eingeführt. Es hat die Entwicklung von 3D‑Drucktechnologien ermöglicht, die Silikone in 3D‑gedruckten Hüllen gießen können. Die Technik ist kostengünstig und kann Soft‑Robotics in Zukunft neue Höhen erreichen lassen. 

Mit mehr Forschung und wissenschaftlichen Studien zu diesem Thema wird die additive Fertigung Soft‑Robotics in den Bereichen Medizin und Gesundheitswissenschaften stark relevant machen. Sie hat bereits zur Entwicklung von 3D‑gedruckten Soft‑Roboter‑Handschuhen beigetragen, die für Personen mit eingeschränkter Handfunktion, lokaler Lähmung und Arthritis nützlich sind. 

Wissenschaftler haben zudem Prothesenhände und 3D‑gedruckte weiche Roboter mit vier Beinen gebaut, die auf unebenen und rauen Oberflächen wie Kies und Sand laufen können. 

Neben ihrer medizinischen und gesundheitlichen Rehabilitation können solche weichen Roboter bei Rettungsaktionen helfen oder Sensordaten aus gefährlichen Umgebungen sammeln.

Zusammenfassend sind die Möglichkeiten, die neue additive Fertigungstechniken für die Weiterentwicklung von Soft‑Robotics bieten, enorm. Es muss nur noch aus dem Labor in den großflächigen Einsatz für das Gemeinwohl übergehen. 

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