Kostengünstige 3D‑gedruckte Roboter funktionieren ohne Elektronik

In der Welt der Roboterfertigung ist der Traum, Maschinen zu produzieren, die sofort nach der Fertigung einsatzbereit sind, noch viele Jahre entfernt – oder zumindest war er das. Ein Team von Forschern der University of California hat kürzlich den Markt verblüfft, nachdem es Details zu einer neuen Fertigungsmethode und einem Roboterdesign veröffentlicht hat, das keine Elektrizität benötigt und sofort nach dem Druck einsatzbereit ist. Hier ist, was Sie über 3D‑gedruckte Roboter wissen müssen.

Wie werden Roboter hergestellt? Moderne Techniken der Roboterfertigung erforschen

Es gibt viele verschiedene Arten von Robotern und noch mehr Wege, diese Geräte zu erstellen. Traditionelle Roboter können in Fertigungsstraßen gebaut werden und erfordern möglicherweise viele Schritte, um zusammengebaut zu werden und zu funktionieren. Zum Beispiel kann ein Hersteller den Körper produzieren, während andere elektronische Komponenten, Batterien, Steuerungen und andere Kernkomponenten herstellen.

Was sind weiche Roboter? Vorteile und reale Anwendungsfälle

Weiche Roboter sind eine weitere Art von Maschine, die das starre Exoskelett traditioneller Roboter eliminiert. Stattdessen nutzen weiche Roboter alternative Materialien wie Silikone und Designs, die es ihnen ermöglichen, ihre Form zu verändern. Die Hauptvorteile weicher Roboter sind, dass sie Manipulation unterstützen, komplexe Umgebungen durchqueren können und sichere Interaktionen mit Menschen ermöglichen.

Fortschritte beim 3D‑Druck weicher Roboter mit fluidischen Schaltkreisen

Die Nachfrage nach weichen Robotern hat zu mehreren Verbesserungen im Fertigungsprozess geführt. Aktuelle Durchbrüche im 3D‑Druck haben es Ingenieuren ermöglicht, weiche Roboter zu entwerfen, die in einem einzigen Durchlauf leistungsfähiger sind. Die heute fortschrittlichsten Fertigungsmethoden für weiche Roboter reduzieren die Komplexität weicher Roboter.

Um diese Aufgabe zu bewältigen, werden pneumatische Schaltkreise verwendet, die nichtlineare Materialreaktionen ausnutzen. Der Einsatz fluidischer Steuerkreise ermöglicht es Ingenieuren, mehr Geräte an einem einzigen Ort herzustellen. Bemerkenswert ist, dass die Ingenieure dieses Projekts auch in anderen Arbeiten eine Schlüsselrolle spielten, darunter die Erstellung eines 3D‑gedruckten robotischen Greifers und eines Crawlers mit eingebetteten Steuerkreisen.

Herausforderungen beim 3D‑Druck und der Montage weicher Roboter

Es gibt noch viele Probleme im Bereich der Fertigung weicher Robotik. Einerseits ermöglichen Gussformen die Herstellung von Teilen, aber die Steuerung der Einheiten erfordert weiterhin zusätzliche Komponenten. Außerdem ist es teuer, arbeitsintensiv und für die meisten Menschen nicht leicht zugänglich.

In vielen Fällen muss ein komplexes System aus Pumpen, Ventilen und anderer Elektronik über Kabel an einer separaten Platine mit dem Körper verbunden werden, um irgendeine Form von kontrollierter Fortbewegung zu erreichen. Die Notwendigkeit, dass das Gerät verkabelt ist, eliminiert seine Vorteile und begrenzt die Fähigkeiten weicher Roboter, wie das Navigieren in engen Räumen oder Umgebungen.

Neue Studie enthüllt vollständig 3D‑gedruckten, elektronikfreien Laufroboter

Die Studie „Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots“,¹ veröffentlicht in der Zeitschrift Advanced Intelligent Systems, zeigt, wie Ingenieure einen vollständig 3D‑gedruckten, elektronikfreien, sechsbeinigen Roboter entwickelt haben, 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. Einerseits erklärt sie im Detail, wie die Ingenieure die Herausforderungen des 3D‑Drucks eines geschlossenen Ventils überwinden konnten. Im Bericht gelingt dem Team, die Fortbewegung des Roboters direkt nach dem Druck mithilfe symmetrischer Oszillation über luftbetriebene Phasenverzögerungsventile zu realisieren.

Wie Desktop‑3D‑Drucker vollständig funktionale weiche Roboter ermöglichen

Bemerkenswert ist, dass die Ingenieure einen handelsüblichen, kommerziell erhältlichen Desktop‑3D‑Drucker nutzten, um weiche Komponenten mit komplexen Geometrien zu erstellen, die nur minimalen menschlichen Aufwand erfordern. Die Ingenieure untersuchten mehrere Materialien. Sie gingen sogar so weit, dass sie mit der BASF Corporation über die California Research Alliance (CARA) zusammenarbeiteten, um zu testen, welche Materialien am besten geeignet sind, den Rahmen, die künstlichen Muskeln und das Steuersystem des sechsbeinigen Roboters des Teams zu erzeugen.

Quelle UC San Diego

Ein 3D‑gedruckter Laufroboter, der sofort nach dem Druck funktioniert

Der vom Team gedruckte Laufroboter kann eigenständig gehen, ohne jegliche elektronische Komponenten. Stattdessen nutzt er komprimierte Luft und ein Netzwerk von Ventilen, die sich basierend auf Druckänderungen öffnen und schließen, um seine sechs Beine zu bewegen. Bemerkenswert ist, dass die Kreation des Teams unwegsames Terrain unbeeinflusst durchqueren kann, wobei ausschließlich eine Druckluftpatrone als Energiequelle dient.

Roboterbeine

Ein einzigartiger Aspekt des handelsüblichen Roboters ist sein Bein-Design. Die sechs Beine wurden mit handelsüblichem 3D‑Druck‑Filament gedruckt. Jedes Bein integriert weiche, druckbare, antagonistische pneumatische Aktuatoren. Dieses Setup bietet jedem Bein vier Bewegungsfreiheitsgrade. Jedes Bein kann nach oben, unten, vorne und hinten bewegt werden.

Um eine Gehbewegung zu erzeugen, müssen die Beine mit einer Form von Druckluft oder Flüssigkeit verbunden werden. Unter konstantem Druck biegt ein Satz von Beinen nach unten, hebt den Körper höher und hilft dem Bot, unwegsames Terrain zu überwinden. Gleichzeitig hebt ein anderer Satz von Beinen leicht an. Anschließend biegt der letzte Satz von Beinen nach unten und nach hinten, um eine Vorwärts‑Schubbewegung zu erzeugen. Dies führt dazu, dass die Vorderbeine nach unten biegen und so den Schrittzyklus abschließen.

Weiche Aktuatoren

Bemerkenswert ist, dass das Gerät diese Aufgabe dank der Integration eingebetteter fluidischer Schaltkreise im Körper des Roboters bewältigen kann. Das Drucken dieser Geräte war schwieriger, als man sich vorstellen könnte. Die Ingenieure mussten erheblichen Aufwand betreiben, um die beste Methode zum Drucken dieser luftdichten Komponenten wie Aktuatoren, Ventile und Sensoren zu bestimmen.

Pneumatischer oszillierender Schaltkreis

Im Kern dieses nächsten Generationen‑Designs für weiche Roboter steht ein druckbarer fluidischer Oszillatorschaltkreis. Dieser Schaltkreis erzeugt vier zyklische Ausgangsdrucksignale, die von entscheidender Bedeutung sind. Beeindruckend ist, dass die Ingenieure ihn so konzipierten, dass er diese Aufgabe mit nur einem einzigen Druckeingang bewältigt.

Sie stellten fest, dass ein monolithisches, 3D‑druckbares, vierphasiges, bistabiles Oszillationsventil die beste Lösung war. Ihr eigens entwickeltes Oszillationsventil integriert sechs Zustände in einem Arbeitszyklus. Um diese Aufgabe zu erfüllen, nutzt es die mechanischen Bewegungen der inneren Membranen und Ventilkanäle, um Schwellenwerte zu manipulieren und Zustandswechsel aufgrund allmählicher Druckänderungen zu erzeugen.

Jedes Ventil leitet den Luftstrom zum nächsten Prozessschritt, wenn Druckgrenzen erreicht werden. Interessanterweise antworteten die Entwickler auf die Frage, wie sie auf dieses Konzept kamen, dass das Design von frühen Dampflokomotiven inspiriert wurde.

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

Die Labor‑Testphase des weichen Roboters begann mit einem offenen Luftüberwachungsprozess. In diesem Schritt wurde der Roboter angehoben und Luftdruck angelegt. Das Team notierte die genauen Aktionen des Roboters und wie sie die Bewegung beeinflussen würden, wenn der Roboter am Boden wäre. Nachdem die Bewegungen der Beine in der Luft aufgezeichnet wurden, konnte das Team das Design anpassen, um ein deutliches Geh‑Muster zu erzeugen.

Der nächste Test bestand darin, zu prüfen, wie der Roboter ausschließlich mit Luftdruck funktioniert. Das Team testete den elektronikfreien Betrieb des Roboters mit einer 16‑g CO₂‑Patrone und einem mechanischen Regler, der auf 20 psi eingestellt war. Sie stellten fest, dass sie etwa 80 Sekunden Betrieb aus diesem Setup erhalten konnten.

Lebensdauertest

Anschließend wurde die Haltbarkeit über Lebenszyklen getestet. Das Team konzentrierte sich darauf, ein einzelnes Ventil im Detail zu prüfen. Im Rahmen des Tests wurde konstanter Druck angelegt und dessen Auswirkungen registriert. Sie stellten fest, dass das oszillierende Ventil 19.809 Zyklen funktionierte, bevor es vollständig versagte.

Testergebnisse von 3D‑gedruckten Robotern

Der Labortest ergab einige beeindruckende Resultate. Zum einen konnte der vom Team erstellte Roboter ein breites Spektrum an Terrain bewältigen. Der Bot überquerte erfolgreich Rasen, Sand und verschiedene andere schwierige Untergründe, einschließlich Unterwasser.

Interessanterweise legte der Roboter 85 cm in 21 Sekunden zurück, also 4 cm pro Sekunde, während seiner Tests auf glatten Oberflächen. Die Tests zeigten, dass die Hebe‑Bewegung der Beine in der ersten Sequenz des Schrittes dem Bot genug Auftrieb verschaffte, um durch unwegsames Terrain zu reisen.

Der Haltbarkeitstest zeigt, dass die Geräte drei Tage ununterbrochen funktionieren können. Zusätzlich entdeckte das Team, dass der Hauptschwachpunkt des Designs die vier Membranen im oszillierenden Ventil sind. Diese Entdeckung war nicht überraschend, da genau diese Komponenten dem größten Luftdruck, wiederholten Kräften und Verformungen im System ausgesetzt sind.

Vorteile des 3D‑Drucks weicher Roboter ohne Elektronik

Die Studie zu 3D‑gedruckten Robotern bietet mehrere Vorteile. Erstens können diese Geräte mit einer herkömmlichen Desktop‑3D‑Lösung gedruckt werden. Dieser Ansatz bedeutet, dass diese Einheiten für die durchschnittliche Person oder das Unternehmen leicht zugänglich sind. Sie sind sofort nach dem Druck einsatzbereit und benötigen keine menschliche Interaktion oder Nach‑Druck‑Reinigung, um funktionsfähig zu sein.

Warum 3D‑gedruckte Roboter ohne Elektronik ein Wendepunkt sind

Definitiv einer der coolsten Aspekte des Projekts ist die Entscheidung, die Notwendigkeit von Elektronik zu eliminieren. Die Fähigkeit dieser Bots, ohne Elektronik zu funktionieren, macht sie zur offensichtlichen Lösung für Umgebungen, die nicht elektronikfreundlich sind.

Wissenschaftliche Studien im Weltraum oder an Orten mit hoher Strahlung oder magnetischen Feldern sind ein Paradebeispiel dafür, wo diese Geräte nützlich wären. Zusätzlich sind Unterwasserumgebungen für traditionelle Elektronik aufgrund hoher Druckbedingungen immer problematisch.

Kostengünstige Robotik: Wie 3D‑Druck Roboter günstiger macht

Diese Studie öffnet die Tür für den Druck von extrem kostengünstigen Robotern. Das Gerät, das das Team entwickelt hat, kostete etwa 20 $. Während es derzeit nur laufen kann, könnten zukünftige Designs Ihnen ermöglichen, Kernaufgaben zu erledigen, ohne Ihre Stromrechnung oder Fertigungskosten in die Höhe zu treiben.

3D‑gedruckte Roboter: reale Anwendungsfälle und wann man sie erwarten kann

Es gibt mehrere Einsatzmöglichkeiten für elektronikfreie Roboter. Diese Geräte könnten eingesetzt werden, um wichtige Überwachungen in feindlichen oder gefährlichen Bereichen durchzuführen. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass ein Drucker vor Ort abgesetzt werden kann und die Roboter vor Ort hergestellt werden. Diese Strategie würde den Transport erleichtern.

Die in der Studie zu weichen Robotern enthaltenen Daten könnten zur schnellen Bereitstellung von kostengünstigen, robusten Einheiten in Umgebungen führen, in denen traditionelle Elektronik versagt, etwa in Bereichen mit starker Strahlung, Katastrophengebieten oder sogar auf anderen Planeten. Angesichts der Einfachheit und Erschwinglichkeit des Designs könnten praktische Anwendungen innerhalb der nächsten 3 bis 5 Jahre entstehen.​

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. Die Hauptautoren sind Yichen Zhai, Jiayao Yan und Michael T. Tolley. Das Papier listet außerdem Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta und die BASF California Research Alliance als Mitwirkende auf. Zusätzlich wurde die Studie teilweise vom National Science Foundation gefördert.

Bemerkenswert ist, dass dieses Team eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung weicher Robotertechnologie gespielt hat. Die Gruppe stellte 2022 einen elektronikfreien robotischen Greifer vor. Diese Erfahrung half ihnen, die nächste Generation elektronikfreier Geräte zu schaffen. Jetzt ist ihr Ziel, Wege zu finden, das komprimierte Gas intern zu bewegen und mehr biologisch abbaubare Materialien zu erforschen.

Top‑Unternehmen, die 3D‑Druck und weiche Robotik vorantreiben

Der Einsatz von Robotern im Haushalt und in Unternehmen nimmt zu. Daher gibt es eine starke Nachfrage, diesen Markt zu dominieren. Bemerkenswert ist, dass die Robotik‑ und 3D‑Druck‑Märkte viele Schlüsselakteure haben. Diese Unternehmen haben Milliarden in Forschung und Entwicklung investiert, um funktionierende Geräte der nächsten Generation zu schaffen.  Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin innovativ ist und liefert.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) trat 1986 in den Markt ein und hat seinen Sitz in Kalifornien. Das ursprüngliche Ziel war es, nächste‑Generation‑3D‑Druck‑Dienstleistungen für kommerzielle Kunden anzubieten. Als Pionier im 3D‑Druck war das Unternehmen entscheidend für die Prototypen‑ und andere kritische Komponenten für die Luft‑ und Raumfahrt, die Automobilindustrie, das Gesundheitswesen, die Unterhaltungs‑ und Industrie­märkte.

Heute steht 3D Systems an der Spitze der Weiterentwicklung additiver Fertigungstechnologien, einschließlich Anwendungen in der Robotik. Das Unternehmen hat über 1.925 Mitarbeitende und meldete 2023 einen Umsatz von 488 Mio. $. Zusätzlich schloss das Unternehmen eine strategische Partnerschaft mit Daimler Buses, um lokale 3D‑Drucker bereitzustellen, die Ersatzteile herstellen können.

Neueste Informationen zu 3D Systems Corp.

3D‑gedruckte Roboter

Diese Fortschritte stellen einen weiteren Schritt nach vorn in der Evolution weicher Robotik dar. Durch die Eliminierung der Notwendigkeit von Elektronik und die Ermöglichung vollständiger Funktionalität direkt von einem Desktop‑3D‑Drucker ebnet diese Forschung den Weg für erschwingliche, robuste und einsetzbare Maschinen in Umgebungen, in denen herkömmliche Roboter versagen.  Während die Entwicklung weiter voranschreitet, sind die potenziellen Anwendungen – von Katastrophenhilfe bis Weltraumerkundung – umfangreich und inspirierend. Ein herzlicher Dank an diese Ingenieure für ihre harte Arbeit und ihren Einsatz, die den Kurs der Robotik‑Industrie künftig verändern könnten.

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Studienreferenzen:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Monolithic desktop digital fabrication of autonomous walking robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}