Kostengünstige 3D-gedruckte Roboter funktionieren ohne Elektronik

In der Welt der Roboterfertigung ist der Traum von produktionsfertigen Maschinen noch viele Jahre entfernt – oder zumindest war er es. Ein Forscherteam der University of California überraschte kürzlich mit der Veröffentlichung einer neuen Fertigungsmethode und eines Roboterdesigns, das keinen Strom benötigt und direkt aus dem Drucker druckbereit ist. Hier erfahren Sie, was Sie über 3D gedruckt Roboter.

Wie werden Roboter hergestellt? Moderne Roboterfertigungstechniken

Es gibt viele verschiedene Robotertypen und noch mehr Möglichkeiten, diese Geräte herzustellen. Herkömmliche Roboter können am Fließband gebaut werden und erfordern oft viele Schritte für die Montage und Inbetriebnahme. Beispielsweise kann ein Hersteller das Gehäuse herstellen, während andere Hersteller elektronische Komponenten, Batterien, Steuerungen und andere Kernkomponenten produzieren.

Was sind Softroboter? Vorteile und Einsatzmöglichkeiten in der Praxis

Weiche Roboter Softroboter sind ein weiterer Maschinentyp, der auf das starre Exoskelett herkömmlicher Roboter verzichtet. Stattdessen nutzen Softroboter alternative Materialien wie Silikone und Designs, die es ihnen ermöglichen, ihre Form zu verändern. Die Hauptvorteile von Softrobotern liegen in ihrer Manipulationsfähigkeit, der Fähigkeit, komplexe Umgebungen zu durchqueren und eine sichere Interaktion mit Menschen zu ermöglichen.

Fortschritte beim 3D-Druck weicher Roboter mit Fluidschaltkreisen

Die Nachfrage nach Softrobotern hat zu mehreren Verbesserungen der Herstellungsprozesse geführt. Jüngste Durchbrüche im 3D-Druck ermöglichen es Ingenieuren, Softroboter zu entwickeln, die in einem einzigen Durchgang leistungsfähiger sind. Die modernsten Fertigungsmethoden für Softroboter verringern die Komplexität von Softrobotern.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden pneumatische Schaltungen eingesetzt, die nichtlineare Materialreaktionen nutzen. Der Einsatz fluidischer Steuerkreise ermöglicht es Ingenieuren, mehr Geräte an einem Standort herzustellen. Die Ingenieure dieses Projekts waren auch an anderen Arbeiten maßgeblich beteiligt, darunter an der Entwicklung eines 3D-gedruckten Robotergreifers und -crawlers mit eingebetteten Steuerkreisen.

Herausforderungen beim 3D-Druck und der Montage von Softrobotern

Die Soft-Robotik-Fertigung steht noch vor zahlreichen Problemen. Zum einen ermöglichen Gussformsysteme zwar die Herstellung von Teilen, für die Steuerung der Einheiten sind jedoch noch zusätzliche Komponenten erforderlich. Außerdem ist dies teuer, arbeitsintensiv und für die meisten Menschen nicht ohne Weiteres verfügbar.

In vielen Fällen muss ein komplexes System aus Pumpen, Ventilen und anderer Elektronik über Kabel auf einer separaten Platine mit dem Körper verbunden werden, um eine kontrollierte Fortbewegung zu ermöglichen. Die Notwendigkeit, den Stiefel angebunden zu halten, macht seine Vorteile zunichte und schränkt seine Fähigkeiten als Softroboter ein, beispielsweise die Navigation in engen Räumen oder Umgebungen.

Neue Studie enthüllt vollständig 3D-gedruckten, elektronikfreien Laufroboter

Die Studium "Monolithische digitale Desktop-Fertigung autonomer Laufroboter"¹ Die in der Fachzeitschrift Advanced Intelligent Systems veröffentlichte Studie zeigt, wie Ingenieure einen vollständig 3D-gedruckten, elektronikfreien, sechsbeinigen Roboter entwickelten, der sofort nach dem Druck laufen kann. Noch beeindruckender ist die Tatsache, dass das Gerät ausschließlich durch eine konstante Luftdruckquelle angetrieben wird.

Die Studie ist aus mehreren Gründen revolutionär. Sie erklärt detailliert, wie die Ingenieure die Herausforderungen des 3D-Drucks eines geschlossenen Ventils meistern. Dem Bericht zufolge gelingt dem Team die Fortbewegung eines Roboters direkt aus dem Drucker durch symmetrische Schwingungen über luftbetriebene Phasenverzögerungsventile.

Wie Desktop-3D-Drucker voll funktionsfähige Softroboter ermöglichen

Die Ingenieure nutzten einen handelsüblichen 3D-Desktopdrucker, um weiche Komponenten mit komplexer Geometrie zu erstellen, die nur minimalen menschlichen Arbeitsaufwand erfordern. Die Ingenieure erforschen verschiedene Materialien. Sie gingen sogar so weit, über die California Research Alliance (CARA) des BASF-Konzerns eine Partnerschaft einzugehen, um zu testen, welche Materialien sich am besten für den Bau des Rahmens, der künstlichen Muskeln und des Steuerungssystems des sechsbeinigen Roboters des Teams eignen.

Quelle UC San Diego

Ein 3D-gedruckter Laufroboter, der direkt aus dem Drucker kommt

Der vom Team gedruckte Laufroboter kann ohne elektronische Komponenten selbstständig laufen. Stattdessen nutzt er Druckluft und ein Netzwerk von Ventilen, die sich je nach Druckänderung öffnen und schließen, um seine sechs Beine zu bewegen. Bemerkenswert ist, dass die Kreation des Teams ungebunden unwegsames Gelände bewältigen kann und lediglich eine Druckgaskartusche als Antriebsquelle nutzt.

Roboterbeine

Ein einzigartiges Merkmal des handelsüblichen Roboters ist sein Beindesign. Die sechs Beine wurden mit handelsüblichem 3D-Druckfilament gedruckt. Jedes Bein verfügt über weiche, druckbare, antagonistische pneumatische Aktuatoren. Diese Konstruktion ermöglicht jedem Bein vier Bewegungsgrade. Jedes Bein kann sich nach oben, unten, vorwärts und rückwärts bewegen.

Um eine Gehbewegung zu erzeugen, müssen die Beine mit Druckluft oder Flüssigkeit verbunden werden. Unter konstantem Druck beugt sich ein Beinpaar nach unten, hebt den Körper höher und hilft dem Bot, unwegsames Gelände zu überwinden. Gleichzeitig hebt sich ein weiteres Beinpaar leicht an. Von dort aus beugt sich das letzte Beinpaar nach unten und nach hinten, um eine Vorwärtsbewegung zu erzeugen. Dadurch beugen sich die Vorderbeine nach unten und schließen einen Schrittzyklus ab.

Weiche Aktuatoren

Das Gerät kann diese Aufgabe insbesondere dank der Integration eingebetteter Fluidkreisläufe im Roboterkörper bewältigen. Der Druck dieser Geräte war schwieriger als gedacht. Die Ingenieure mussten erhebliche Anstrengungen unternehmen, um die beste Methode zum Drucken dieser luftdichten Komponenten wie Aktuatoren, Ventile und Sensoren zu finden.

Pneumatischer Schwingkreis

Das Herzstück dieses Softroboter-Designs der nächsten Generation ist ein druckbarer fluidischer Oszillatorkreis. Dieser Kreis erzeugt vier zyklische Ausgangsdrucksignale, die für die Entwicklung unerlässlich sind. Beeindruckend ist, dass die Ingenieure ihn so konzipiert haben, dass er diese Aufgabe mit nur einem einzigen Druckeingang bewältigt.

Sie kamen zu dem Schluss, dass ein monolithisches, 3D-druckbares, vierphasiges bistabiles Schwingventil die beste Lösung darstellt. Ihr maßgeschneidertes Schwingventil integriert sechs Zustände in einem Arbeitszyklus. Dazu nutzt es die mechanischen Bewegungen der inneren Membranen und Ventilkanäle, um Schwellenwerte zu manipulieren und so durch allmähliche Druckänderungen Zustandsänderungen zu erzeugen.

Jedes Ventil leitet den Luftstrom zur nächsten Prozessstufe, sobald die Druckgrenzen erreicht sind. Interessanterweise antwortete das Team auf die Frage, wie es auf dieses Konzept gekommen sei, dass das Design von frühen Dampflokomotiven inspiriert sei.

Wie langlebig ist ein 3D-gedruckter Roboter? Testergebnisse enthüllt

Die Labortestphase des Softroboters begann mit einer Freiluftüberwachung. Dabei wurde der Roboter angehoben und mit Luftdruck beaufschlagt. Anschließend dokumentierte das Team die genauen Bewegungen des Roboters und deren Auswirkungen auf die Bewegung am Boden. Nach der Aufzeichnung der Beinbewegungen in der Luft konnte das Team das Design anpassen, um ein eindeutiges Laufmuster zu erzeugen.

Der nächste Test sollte zeigen, wie der Roboter nur mit Luftdruck funktioniert. Das Team testete den elektronikfreien Betrieb des Roboters mit einer 16-g-CO2-Kartusche und einem auf 20 psi eingestellten mechanischen Regler. Sie stellten fest, dass dieser Aufbau eine Betriebsdauer von etwa 80 Sekunden ermöglichte.

Lebenszeittest

Anschließend wurde die Haltbarkeit anhand von Lebenszyklen getestet. Das Team konzentrierte sich auf den Test eines einzelnen Ventils, um möglichst viele Details zu erhalten. Im Rahmen des Tests wurde konstanter Druck angelegt und dessen Auswirkungen registriert. Sie stellten fest, dass das Schwingventil 19,809 Zyklen lang funktionierte, bevor es vollständig versagte.

Testergebnisse für 3D-gedruckte Roboter

Der Labortest lieferte beeindruckende Ergebnisse. So konnte der vom Team entwickelte Roboter beispielsweise ein breites Spektrum an Gelände bewältigen. Er bewältigte erfolgreich Rasen, Sand und verschiedene andere schwierige Geländearten, darunter auch Unterwasser.

Interessanterweise lief der Roboter bei seinen Tests auf glatten Oberflächen 85 cm in 21 Sekunden mit einer Geschwindigkeit von 4 cm pro Sekunde. Die Tests zeigten, dass die Hebebewegung der Beine in der ersten Schrittsequenz dem Roboter half, genügend Auftrieb zu gewinnen, um sich in unebenem Gelände fortzubewegen.

Der Haltbarkeitstest zeigt, dass die Geräte drei Tage lang ununterbrochen funktionieren können. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass die größte Schwachstelle des Designs die vier Membranen im Schwingventil sind. Diese Entdeckung war keine große Überraschung, da diese Komponenten im System dem größten Luftdruck, der größten Krafteinwirkung und der größten Auslenkung ausgesetzt sind.

Vorteile des 3D-Drucks von Softrobotern ohne Elektronik

Die Studie über 3D-gedruckte Roboter bietet zahlreiche Vorteile. Zum einen können diese Geräte mit einer herkömmlichen Desktop-3D-Lösung gedruckt werden. Dadurch sind sie für Privatpersonen und Unternehmen leicht zugänglich. Sie sind druckfertig und benötigen weder menschliches Zutun noch Nachreinigung.

Warum 3D-gedruckte Roboter ohne Elektronik bahnbrechend sind

Einer der coolsten Aspekte des Projekts ist definitiv die Entscheidung, auf Elektronik zu verzichten. Da diese Stiefel ohne Elektronik auskommen, sind sie die ideale Lösung für Umgebungen, in denen Elektronik nicht gängig ist.

Wissenschaftliche Untersuchungen im Weltraum oder in der Nähe von Orten mit hoher Strahlung oder Magnetfeldern sind ein Paradebeispiel für die Anwendung dieser Geräte. Darüber hinaus waren Unterwasserumgebungen aufgrund der hohen Druckverhältnisse für herkömmliche Elektronik schon immer problematisch.

Low-Cost-Robotik: Wie 3D-Druck Roboter günstiger macht

Diese Studie ermöglicht den Druck extrem kostengünstiger Roboter. Das von den Ingenieuren des Teams entwickelte Gerät kostete rund 20 US-Dollar. Zwar kann es nur laufen, doch zukünftige Designs könnten Ihnen helfen, grundlegende Aufgaben zu erledigen, ohne Ihre Stromrechnung oder Ihre Fertigungskosten in die Höhe zu treiben.

3D-gedruckte Roboter: Einsatzmöglichkeiten in der Praxis und wann sie zu erwarten sind

Es gibt verschiedene Einsatzmöglichkeiten für elektronikfreie Roboter. Diese Geräte könnten zur Überwachung feindlicher oder gefährlicher Gebiete eingesetzt werden. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass ein Drucker vor Ort platziert und Roboter vor Ort erstellt werden können. Diese Strategie würde einen einfacheren Transport ermöglichen.

Die Daten der Soft-Roboter-Studie könnten den schnellen Einsatz kostengünstiger, robuster Einheiten in Umgebungen ermöglichen, in denen herkömmliche Elektronik versagt, beispielsweise in Gebieten mit starker Strahlung, in Katastrophengebieten oder sogar auf anderen Planeten. Angesichts der Einfachheit und Erschwinglichkeit des Designs könnten praktische Anwendungen innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre möglich sein.

Lernen Sie das Team hinter dem elektronikfreien 3D-gedruckten Roboter kennen

Die Studie zum 3D-gedruckten Roboter wurde an der University of California, San Diego, durchgeführt. Zu den Hauptautoren gehören Yichen Zhai, Jiayao Yan und Michael T. Tolley. Die Studie nennt außerdem Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta und die BASF California Research Alliance als beteiligte Forscher. Die Studie wurde zudem teilweise von der National Science Foundation finanziert.

Dieses Team war maßgeblich an der Entwicklung der Soft-Robotik-Technologie beteiligt. Die Gruppe stellte 2022 einen elektronikfreien Robotergreifer vor. Diese Erfahrung half ihnen, die nächste Generation elektronikfreier Geräte zu entwickeln. Ihr Ziel ist es nun, Wege zu finden, den Druckgasspeicher intern zu bewegen und biologisch abbaubarere Materialien zu erforschen.

Top-Unternehmen, die 3D-Druck und Soft-Robotik vorantreiben

Der Einsatz von Robotern in Haushalt und Gewerbe nimmt zu. Daher besteht ein starker Bedarf, diesen Markt zu dominieren. Insbesondere in den Märkten für Robotik und 3D-Druck gibt es zahlreiche wichtige Akteure. Diese Firmen haben Milliarden in Forschung und Entwicklung investiert, um funktionsfähige Geräte der nächsten Generation zu entwickeln. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin innovativ ist und liefert.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD -1.75 %) Das Unternehmen ist seit 1986 auf dem Markt und hat seinen Sitz in Kalifornien. Ursprüngliches Ziel war es, gewerblichen Kunden 3D-Druckdienstleistungen der nächsten Generation anzubieten. Als Pionier im 3D-Druck war das Unternehmen maßgeblich an der Entwicklung von Prototypen und anderen wichtigen Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, das Gesundheitswesen, die Unterhaltungsindustrie und die Industrie beteiligt.

3D Systems ist heute führend in der Weiterentwicklung additiver Fertigungstechnologien, einschließlich Anwendungen in der Robotik. Das Unternehmen beschäftigt über 1,925 Mitarbeiter und erzielte 488 einen Umsatz von 2023 Millionen US-Dollar. Darüber hinaus ist das Unternehmen eine strategische Partnerschaft mit Daimler Buses eingegangen, um lokale 3D-Drucker für die Herstellung von Ersatzteilen bereitzustellen.

Neuigkeiten von 3D Systems Corp.

3D-gedruckte Roboter

Diese Fortschritte stellen einen weiteren Schritt in der Entwicklung der Softrobotik dar. Durch den Verzicht auf Elektronik und die Möglichkeit, die volle Funktionalität direkt mit einem Desktop-3D-Drucker zu realisieren, ebnet diese Forschung den Weg für erschwingliche, robuste und einsatzfähige Maschinen in Umgebungen, in denen herkömmliche Roboter an ihre Grenzen stoßen. Mit fortschreitender Entwicklung sind die potenziellen Anwendungen – von der Katastrophenhilfe bis zur Weltraumforschung – vielfältig und inspirierend. Ein großes Lob an diese Ingenieure für ihre harte Arbeit und ihren Einsatz, der die Zukunft der Robotikbranche entscheidend beeinflussen könnte.

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Zitierte Studien:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R. & Tolley, MT (2025). Monolithische digitale Desktop-Fertigung autonomer Laufroboter. Fortschrittliche intelligente Systeme. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}