Selbstheilende Softroboter: Eine neue Grenze in der KI-gesteuerten Reparatur

Durchbruch in der Robotik: Selbstheilende Roboter nach biologischem Vorbild

Ein Ingenieurteam der University of Nebraska–Lincoln hat einen selbstheilenden Roboter vorgestellt, der Schäden selbstständig erkennen und reparieren kann. Das Gerät könnte zur Langlebigkeit zukünftiger Robotersysteme und elektronischer Geräte beitragen. Erfahren Sie, wie selbstheilende Roboter zur Norm werden und dazu beitragen, Abfall zu reduzieren, die Leistung zu verbessern und zukünftige Innovationen zu ermöglichen.

Die Idee eines selbstheilenden Roboters klingt nach Science-Fiction, doch angesichts der jüngsten Fortschritte in der KI und anderen Technologien halten viele Forscher diesen Ansatz für die beste Option. Bei einem selbstheilenden Roboter stellt man sich vielleicht ein starres Gerät vor, das seinen Körper scannt, Schäden lokalisiert und diese dann mit einem integrierten Werkzeug oder anderen Geräten behebt.

Das Problem bei diesem Konzept besteht darin, dass der Roboter für die Reparatur auf zusätzliches Material zugreifen müsste. Es ist nicht so, dass der Roboter für jede Komponente Ersatzteile mit sich führen würde. Daher kann dieses Konzept nur in sehr begrenzten Szenarien funktionieren, in denen Ersatzteile zur Hand sind.

Die Natur nachahmen

Wissenschaftler erkannten diese Einschränkungen und suchten nach einer besseren Lösung in den Heilungsfähigkeiten des menschlichen Körpers. Wenn Sie sich verletzen, ist Ihr Körper in der Lage, mit der Zeit zu heilen. Solange die Verletzung nicht zu schwerwiegend ist, erkennt Ihr Körper das Problem, beispielsweise einen kleinen Schnitt, und kann Ressourcen für die Heilung bereitstellen. Innerhalb weniger Tage oder Wochen ist die Verletzung vollständig verheilt und es bilden sich nur minimale Narben.

Neue Studie zu selbstheilenden Softrobotern auf der ICRA 2025 veröffentlicht

Ein Team von Ingenieuren erkannte, dass ein neuer Ansatz für selbstheilende Roboter unerlässlich war, und begann, menschenähnlichere Roboterlösungen zu untersuchen. Diese Suche führte zur Veröffentlichung der Studie¹ "Intelligenter selbstheilender künstlicher Muskel: Mechanismen zur Schadenserkennung und autonomen Reparatur von Stichschäden in der Softrobotik“ auf der diesjährigen IEEE International Conference on Robotics and Automation.

Dieser bahnbrechende Bericht befasst sich mit dem Einsatz von Softrobotern zur Selbstheilung. Softroboter unterscheiden sich von herkömmlichen Lösungen durch flexible Komponenten, die es ihnen ermöglichen, ihre Form und Größe zu verändern. So können sie einzigartige Aufgaben wie die Morphing-Bewegung durch dünne Rohre bewältigen.

Die Ingenieure nutzten Biomimetik, um einen weichen Roboter zu entwickeln, der in seinen Schichten dem menschlichen Körper ähnelt. Sie begannen mit der Einführung einer mehrschichtigen Architektur. Dieser Ansatz basiert auf verschiedenen Schichten, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen, aber zusammenarbeiten, um dem Roboter zu ermöglichen, die adaptive Widerstandsfähigkeit lebender Organismen zu imitieren.

Quelle - Universität von Nebraska – Lincoln

Betätigungsebene: Wie sich selbstheilende Roboter bewegen

Die äußere Schicht bildet die Antriebsschicht. Diese oberste Schicht ermöglicht die Bewegung des Aktuators. Sie basiert auf kleinen Taschen, die mit Druckwasser gefüllt werden, um die Bewegung auszulösen. Dieser Ansatz ist ideal für die Softrobotik, da er Motoren oder andere starre Komponenten überflüssig macht, die die Fähigkeiten des Softroboters einschränken.

Selbstheilende thermoplastische Schicht erklärt

Die nächste Schicht ist steifer, da sie ein selbstheilendes thermoplastisches Elastomer enthält. Diese Schicht ist für die Einführung von Elektromigration und thermischen Mechanismen verantwortlich, die physikalische Diskontinuitäten dort erzeugen, wo beschädigte Schichten elektrische Inkonsistenzen verursacht haben, die von der unteren Schicht erkannt wurden.

Elektronische Haut: Die schadenserkennende Schicht

Die unterste Schicht dieser Soft-Roboter-Architektur ist eine elektronische Haut aus LM-Mikrotröpfchen, eingebettet in ein Silikonelastomer. Dieser Ansatz funktioniert wie Ihr Nervensystem, indem er elektrischen Strom zur Überwachung der Oberflächenkontinuität nutzt.

Konkret handelt es sich dabei um Mikrotröpfchen aus flüssigem Metall, die in ein Silikonelastomer eingebettet sind und leitfähige Bahnen bilden. Wird ein Schaden erkannt, kann das System diesen lokalisieren und die mittlere Schicht benachrichtigen, die daraufhin ihre Selbstheilungsprozesse einleitet.

Wie selbstheilende Roboter Schäden erkennen und reparieren

Das System erkennt diesen elektrischen Fußabdruck als Hinweis auf einen Schaden und leitet daraufhin einen höheren Strom in den Bereich. Dieser höhere Strom wirkt wie ein Heizmechanismus und erwärmt den Bereich, der aufgrund des Schadens elektrische Inkonsistenzen aufweist.

Der Prozess schmilzt dann die mittlere Schicht und versiegelt sie wieder. Durch Elektromigration werden die Metallatome in einen separaten Zustand zurückgeführt, wodurch der Kurzschluss beseitigt und die Verletzung versiegelt wird. Insbesondere wurde die Elektromigration aufgrund der Lücken, die zum Stoppen des Stromflusses führten, immer als Hindernis angesehen.

Diese Studie zeigt erstmals, dass das Verfahren die Leitfähigkeitsanforderungen verbessert. Die Kombination aus Elektromigration und dem erhitzten Joule-Effekt ermöglicht es dem Gerät, den beschädigten Bereich effektiv zurückzusetzen und gleichzeitig die Strominkonsistenzen zu beseitigen. Darüber hinaus stellt es sicher, dass sich der selbstheilende Roboter problemlos mehrfach selbst heilen kann.

Wie Forscher das selbstheilende Robotersystem testeten

Die Ingenieure führten eine Reihe von Tests durch, um zu prüfen, ob ihr selbstheilender Roboter die erwartete Leistung erbringen würde. Zunächst stattete das Team das Gerät mit Elektroden aus, um Veränderungen präzise messen zu können. Anschließend fügten sie dem Roboter verschiedene Schadensarten zu, darunter starken Druck und Schnitte.

Ergebnisse der Experimente mit selbstheilenden Robotern

Der selbstheilende Softroboter konnte den Schaden selbstständig erkennen und einen Selbstheilungsprozess einleiten. Das Gerät legte alle 0.25 Sekunden eine kleine Stromrampe von 10 Ampere an, bis die thermische Migration einsetzte. Der Vorgang wurde anschließend für jeden Test sechsmal wiederholt, was eine detaillierte Überwachung der Schadensbehebung in verschiedenen Szenarien ermöglichte.

Vorteile selbstheilender Softrobotik

Selbstheilende Elektronik bietet viele Vorteile. Sie trägt zum Beispiel dazu bei, die Lebensdauer von Elektrogeräten zu verlängern. Es gibt zu viele Mülldeponien, die mit beschädigter Elektronik überfüllt sind. Selbstheilende Softrobotik bietet eine bessere Lösung, da sie Schäden vor Ort reparieren und so Kosten und Ausfallzeiten reduzieren kann.

Anwendungen und Zukunft selbstheilender Roboter

Die Studie zu selbstheilenden Robotern hat das Potenzial, die Robotikbranche zu revolutionieren. Zahlreiche Branchen setzen auf Roboter, und der Einsatz autonomer Drohnen und anderer Geräte nimmt zu. Selbstheilungsfähigkeiten könnten daher genau das Richtige sein, um Leistung und Langlebigkeit zu steigern.

Selbstheilende Roboter in Robotik und Exploration

Der offensichtliche Nutzen dieser Entdeckungen liegt in der Robotik. Selbstheilende Roboter wären ideal für Erkundungs-, Such- und Rettungsaufgaben. Überall dort, wo ein Roboter auf gefährliche Gegenstände wie Zweige oder scharfe Steine ​​treffen könnte, eignen sich selbstheilende Roboter besser als herkömmliche, harte Einheiten.

Wearable Tech: Ein neuer Anwendungsfall für selbstheilende Materialien

Ein weiterer Bereich, in dem diese Technologie nützlich sein könnte, ist der Bereich der Wearables. Wearables wie Smartwatches sind täglich hohen Belastungen ausgesetzt. Diese Geräte müssen dem anspruchsvollen Zeitplan ihrer Nutzer und den damit verbundenen unerwarteten Stößen und Kratzern standhalten. Selbstreparierende Wearables könnten die perfekte Lösung sein.

Wann werden selbstheilende Roboter verfügbar sein?

Selbstreparierende Roboter könnten in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommen. Der Soft-Robotik-Sektor ist eine schnell wachsende Branche, die gerade erst an Fahrt gewinnt. Diese Geräte werden sicherlich mehr Unterstützung erhalten, da ihre Vorteile und Fähigkeiten immer besser bekannt werden.

Forscher für selbstheilende Roboter

Die Studie zu selbstheilenden Robotern wurde von Ingenieuren der University of Nebraska–Lincoln durchgeführt. Als Hauptautoren werden Eric Markvicka, Ethan Krings und Patrick McManigal genannt. Bemerkenswert ist, dass der Bericht über selbstheilende Roboter als einer von nur 39 von 1,606 Einsendungen für den ICRA 2025 Best Paper Award nominiert wurde.

Insbesondere erhielten die Ingenieure zusätzliche Unterstützung von der National Science Foundation, dem NASA Nebraska Established Program to Stimulate Competitive Research und dem Nebraska Tobacco Settlement Biomedical Research Development Fund.

In den Robotikmarkt investieren

Die Robotikbranche zählt zu den innovativsten Branchen. Zahlreiche Konkurrenten konkurrieren um die Entwicklung von Robotern der nächsten Generation, die zur Lösung einiger der drängendsten Probleme der Welt beitragen können. Hier ist ein Unternehmen, das die Innovationsoffensive anführt.

ABB Ltd.

ABB Ltd. (ABB ) ABB ist ein weltweit führendes Technologieunternehmen mit Sitz in der Schweiz. Der Schwerpunkt liegt auf Elektrifizierung, Automatisierung und Robotik. Gegründet 1988 durch die Fusion von ASEA (Schweden) und Brown, Boveri & Cie (Schweiz) hat sich ABB zu einem der einflussreichsten Akteure im Bereich der Industrierobotik entwickelt.

Die Robotikabteilung des Unternehmens hat die Grenzen der Automatisierung mit fortschrittlichen Roboterarmen, kollaborativen Robotern (Cobots) und flexiblen Fertigungslösungen kontinuierlich erweitert. ABBs Engagement für adaptive Robotik passt gut zu neuen Technologien wie Soft-Aktuatoren, intelligenten Materialien und selbstheilenden Systemen – genau jenen Innovationen, die in der Studie der University of Nebraska–Lincoln untersucht wurden.

In den letzten Jahren hat ABB seine Investitionen in intelligente und menschenfreundliche Robotik durch Partnerschaften mit akademischen Einrichtungen und die Übernahme von KI-basierten Automatisierungs-Startups verstärkt. Die Cobots GoFa und YuMi des Unternehmens veranschaulichen die Strategie des Unternehmens, Roboter zu entwickeln, die sicher mit Menschen zusammenarbeiten können – Roboter, die von selbstheilenden Materialien profitieren könnten, um ihre Widerstandsfähigkeit zu verbessern und Ausfallzeiten zu reduzieren. Während die Industrie zunehmend auf autonomere, flexiblere und schadenstolerantere Systeme setzt, steht ABB an vorderster Front, um diese nächste Welle der Robotik zu ermöglichen.

Anleger, die frühzeitig am Soft-Robotik-Boom teilhaben möchten, sollten Unternehmen wie ABB im Auge behalten oder aufstrebende Startups im Bereich fortschrittlicher Materialien verfolgen.

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur ABB-Aktie (ABB)

Selbstheilende Softroboter – Ihr nächster Kollege

Die Entwicklung von Softrobotern, die Verletzungen erkennen und selbst heilen können, ist in vollem Gange. Hersteller sehen in diesen Geräten eine ideale Lösung für ein Leben an der Seite des Menschen, ohne zusätzliche Risiken zu verursachen. Mit der Fähigkeit, Verletzungen zu erkennen und selbst zu heilen, werden diese Geräte zu einem entscheidenden Faktor.

Erfahren Sie mehr über andere coole Durchbrüche in der Robotik werden auf dieser Seite erläutert.

Zitierte Studien:

^{1. Krings, EJ, McManigal, P. & Markvicka, EJ (2025). Intelligenter selbstheilender künstlicher Muskel: Mechanismen zur Schadenserkennung und autonomen Reparatur von Stichschäden in der Softrobotik. Proceedings der 2025 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2591–2598. https://smr.unl.edu/papers/Krings_et_al-2025-ICRA.pdf}