Selbstheilende weiche Roboter: Eine neue Grenze in KI-gesteuerter Reparatur

Durchbruch in der Robotik: Selbstheilende Roboter, inspiriert von der Biologie

Ein Team von Ingenieuren der University of Nebraska–Lincoln hat einen selbstheilenden Roboter vorgestellt, der Schäden autonom erkennen und reparieren kann. Das Gerät könnte zur Langlebigkeit der Robotiksysteme und elektronischen Geräte von morgen beitragen. So könnten selbstheilende Roboter zur Norm werden, Abfall reduzieren, die Leistung verbessern und den Weg für zukünftige Innovationen öffnen.

Die Vorstellung, dass ein Roboter sich selbst heilt, klingt nach Science‑Fiction, doch mit den jüngsten Fortschritten in KI und anderen Technologien sehen viele Forscher diesen Weg als die beste Option. Wenn man an einen selbstheilenden Roboter denkt, stellt man sich vielleicht ein starres Gerät vor, das seinen Körper scannt, Schäden lokalisieren und dann mit einem an Bord befindlichen Werkzeug oder anderen Geräten reparieren kann.

Das Problem bei diesem Konzept ist, dass der Roboter Zugriff auf zusätzliches Material benötigen würde, um die Reparatur abzuschließen. Es ist nicht so, dass der Roboter Ersatzteile für jede Komponente mitführt. Daher kann dieses Konzept nur in sehr begrenzten Szenarien funktionieren, in denen Ersatzteile verfügbar sind.

Nachahmung der Natur

Angesichts dieser Einschränkungen blickten Wissenschaftler auf die Heilungsfähigkeiten des menschlichen Körpers, um eine bessere Lösung zu finden. Wenn man sich verletzt, kann der Körper im Laufe der Zeit heilen. Solange die Verletzung nicht zu schwer ist, erkennt der Körper das Problem, etwa einen kleinen Schnitt, und stellt Ressourcen bereit, um es zu heilen. Nach einigen Tagen oder Wochen ist die Verletzung vollständig geheilt, wobei nur minimale Narben zurückbleiben.

Neue Studie zu selbstheilenden weichen Robotern auf der ICRA 2025 veröffentlicht

Da ein neuer Ansatz unerlässlich ist, um selbstheilende Roboter zu ermöglichen, begann ein Team von Ingenieuren, robotische Lösungen zu untersuchen, die dem Menschen ähnlicher sind. Diese Suche führte sie dazu, die Studie¹ „Intelligent Self-Healing Artificial Muscle: Mechanisms for Damage Detection and Autonomous Repair of Puncture Damage in Soft Robotics“ auf der diesjährigen IEEE International Conference on Robotics and Automation zu veröffentlichen.

Dieser bahnbrechende Bericht untersucht den Einsatz weicher Roboter, um Selbstheilungsaufgaben zu bewältigen. Weiche Roboter unterscheiden sich von herkömmlichen Optionen, da sie flexible Komponenten nutzen, die es ihnen ermöglichen, Form und Größe zu verändern, wodurch sie einzigartige Aufgaben wie das Durchformen, um durch ein dünnes Rohr zu navigieren, ausführen können.

Die Ingenieure nutzten Biomimikry, um einen weichen Roboter zu entwickeln, der den menschlichen Körper in Bezug auf Schichten ähnelt. Sie begannen mit der Einführung einer mehrschichtigen Architektur. Dieser Ansatz beruht auf unterschiedlichen Schichten, die verschiedene Aufgaben erfüllen, aber zusammenarbeiten, damit der Bot die adaptive Widerstandsfähigkeit lebender Organismen nachahmen kann.

Quelle – University of Nebraska–Lincoln

Aktionsschicht: Wie selbstheilende Roboter sich bewegen

Die äußere Schicht ist die Aktionsschicht. Diese obere Schicht ermöglicht die Bewegung des Aktuators. Sie beruht auf kleinen Kammern, die mit Druckwasser gefüllt werden, um die Bewegung zu initiieren. Dieser Ansatz ist ideal für weiche Robotik, da er die Notwendigkeit von Motoren oder anderen starren Komponenten, die die Fähigkeiten des weichen Roboters einschränken, eliminiert.

Selbstheilende Thermoplastische Schicht erklärt

Die nächste Schicht ist steifer, da sie ein selbstheilendes thermoplastisches Elastomer integriert. Diese Schicht ist dafür verantwortlich, Elektromigration und thermische Mechanismen einzuführen, um physische Diskontinuitäten zu erzeugen, wo beschädigte Schichten elektrische Inkonsistenzen verursacht haben, die von der unteren Schicht erkannt werden.

Elektronische Haut: Die Schadenserkennungs‑Schicht

Die unterste Schicht dieser weichen Roboterarchitektur ist eine elektronische Haut, die aus LM‑Mikrotröpfchen besteht, die in ein Silikon‑Elastomer eingebettet sind. Dieser Ansatz funktioniert wie Ihr Nervensystem, indem er elektrischen Strom nutzt, um die Kontinuität der Oberfläche zu überwachen.

Konkret gibt es flüssige Metall‑Mikrotröpfchen, die in ein Silikon‑Elastomer eingebettet sind und leitende Pfade erzeugen. Wird ein Schaden erkannt, kann das System ihn lokalisieren und die mittlere Schicht benachrichtigen, die dann ihre Selbstheilungsprozesse einleitet.

Wie selbstheilende Roboter Schäden erkennen und reparieren

Das System erkennt diesen elektrischen Abdruck als Hinweis auf einen Schaden, wodurch ein höherer Strom in den betroffenen Bereich geleitet wird. Der höhere Strom wirkt wie ein Heizmechanismus und erwärmt den Bereich, der aufgrund des Schadens elektrische Inkonsistenzen aufweist.

Der Vorgang schmilzt dann die mittlere Schicht und versiegelt sie erneut, und durch Elektromigration werden die Metallatome in einen separaten Zustand zurückgeführt, wodurch der Kurzschluss beseitigt und die Verletzung versiegelt wird. Bemerkenswert ist, dass Elektromigration bislang immer als Hindernis galt, weil die Lücken den Stromfluss stoppten.

Diese Studie stellt das erste Mal dar, dass der Prozess als Vorteil für die Leitfähigkeitsanforderungen angesehen wurde. Die Kombination aus Elektromigration und dem erwärmten Joule‑Effekt ermöglicht es dem Gerät, den beschädigten Bereich zurückzusetzen und gleichzeitig die Strominkonsistenzen zu beseitigen. Darüber hinaus stellt sie sicher, dass der selbstheilende Roboter sich mehrfach ohne Probleme selbst reparieren kann.

Wie Forscher das selbstheilende Robotersystem getestet haben

Die Ingenieure richteten eine Reihe von Tests ein, um zu prüfen, ob ihr selbstheilender Roboter wie vorhergesagt funktioniert. Das Team begann damit, das Gerät mit Elektroden auszustatten, um Veränderungen präzise zu messen. Anschließend wendeten sie verschiedene Schadensarten an, darunter starker Druck und Schneiden.

Ergebnisse der Experimente mit dem selbstheilenden Roboter

Der selbstheilende weiche Roboter war in der Lage, den Schaden autonom zu erkennen und einen Selbstheilungsprozess zu starten. Das Gerät applizierte alle 10 Sekunden einen kleinen Stromanstieg von 0,25 A, bis die thermische Migration einsetzte. Der Vorgang wurde anschließend für jeden Test sechsmal wiederholt, was eine detaillierte Überwachung der Schadensreparatur in mehreren Szenarien ermöglichte.

Vorteile selbstheilender weicher Robotik

Selbstheilende Elektronik bietet zahlreiche Vorteile. Erstens trägt sie dazu bei, die Lebensdauer elektrischer Geräte zu verlängern. Es gibt zu viele Deponien, die von beschädigter Elektronik überflutet werden. Selbstheilende weiche Robotik bietet eine bessere Lösung, die Schäden vor Ort reparieren kann, wodurch Kosten und Ausfallzeiten reduziert werden.

Anwendungen und Zukunft selbstheilender Roboter

Die Studie zu selbstheilenden Robotern hat das Potenzial, den Robotiksektor zu revolutionieren. Es gibt mehrere Branchen, die auf Roboter angewiesen sind, und der Einsatz autonomer Drohnen und anderer Geräte nimmt zu. Folglich könnten selbstheilende Fähigkeiten genau das sein, das nötig ist, um Leistung und Langlebigkeit auf die nächste Stufe zu heben.

Selbstheilende Roboter in Robotik und Erkundung

Der offensichtliche Einsatz dieser Entdeckungen liegt im Robotiksektor. Roboter, die sich selbst heilen können, wären ideal für Erkundungs-, Such- und Rettungsaufgaben. Überall dort, wo ein Roboter auf ein Objekt stoßen könnte, das Gefahr verursacht, wie ein Zweig oder ein scharfer Stein, sind selbstheilende Roboter besser geeignet als herkömmliche harte Einheiten.

Wearable Tech: Ein neuer Anwendungsfall für selbstheilende Materialien

Ein weiteres Gebiet, in dem diese Technologie nützlich sein könnte, ist der Wearable‑Sektor. Wearables wie Smartwatches werden täglich stark beansprucht. Diese Geräte müssen so konstruiert sein, dass sie den anspruchsvollen Alltag ihrer Nutzer sowie die unvermeidlichen Stöße und Kratzer bewältigen. Selbstreparierende Wearables könnten die perfekte Lösung darstellen.

Wann werden selbstheilende Roboter verfügbar sein?

Selbstreparierende Roboter könnten in den nächsten 5–10 Jahren auf den Markt kommen. Der Sektor der weichen Robotik ist eine schnell wachsende Branche, die gerade erst an Zugkraft gewinnt. Diese Geräte werden mit Sicherheit mehr Unterstützung erhalten, sobald ihre Vorteile und Fähigkeiten breiter verstanden werden.

Forscher zu selbstheilenden Robotern

Die Studie zu selbstheilenden Robotern wurde von Ingenieuren der University of Nebraska–Lincoln vorgelegt. In der Studie werden Eric Markvicka, Ethan Krings und Patrick McManigal als Hauptbeitragende genannt. Bemerkenswert ist, dass der Bericht über selbstheilende Robotik einer von nur 39 von 1.606 Einsendungen war, die als Finalist für den ICRA 2025 Best Paper Award ausgewählt wurden.

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

Investieren in den Robotikmarkt

Der Robotiksektor gehört zu den innovativsten auf dem Markt. Es gibt zahlreiche Wettbewerber, die versuchen, die nächste Generation von Robotern zu entwickeln, die einige der drängendsten Probleme der Welt lösen können. Hier ist ein Unternehmen, das die Innovationsführerschaft übernimmt.

ABB Ltd.

ABB Ltd. (ABB ) ist ein globaler Technologieführer mit Sitz in der Schweiz. Sein starker Fokus liegt auf Elektrifizierung, Automatisierung und Robotik. 1988 durch die Fusion von ASEA (Schweden) und Brown, Boveri & Cie (Schweiz) gegründet, hat sich ABB zu einem der einflussreichsten Akteure im industriellen Robotiksektor entwickelt.

Die Robotikdivision des Unternehmens hat die Grenzen der Automatisierung konsequent erweitert, mit fortschrittlichen Roboterarmen, kollaborativen Robotern (Cobots) und flexiblen Fertigungslösungen. ABBs Engagement für adaptive Robotik passt gut zu aufkommenden Technologien wie weichen Aktuatoren, intelligenten Materialien und selbstheilenden Systemen – den 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 Institutionen und den Erwerb von KI‑gesteuerten Automatisierungs‑Startups verstärkt. Die GoFa‑ und YuMi‑Cobots des Unternehmens veranschaulichen seine Strategie, Roboter zu entwickeln, die sicher neben Menschen arbeiten können – Roboter, die stark von selbstheilenden Materialien profitieren könnten, um die Widerstandsfähigkeit zu verbessern und Ausfallzeiten zu reduzieren. Da die Industrie zu autonomeren, flexibleren und schadenresistenteren Systemen übergeht, steht ABB an vorderster Front, um diese nächste Welle der Robotik zu ermöglichen.

Investoren, die frühzeitig vom Boom der weichen Robotik profitieren möchten, könnten Unternehmen wie ABB beobachten oder aufstrebende Startups im Bereich fortschrittlicher Materialien verfolgen.

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Selbstheilende weiche Roboter – Ihr nächster Kollege

Der Antrieb, weiche Roboter zu entwickeln, die Schäden erkennen und selbst heilen können, ist in vollem Gange. Hersteller sehen diese Geräte als ideale Lösung für die Zusammenarbeit mit Menschen, ohne zusätzliche Risiken zu verursachen. Wenn man die Fähigkeit hinzufügt, Verletzungen zu erkennen und selbst zu heilen, werden diese Geräte zu einem Wendepunkt.

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Studienreferenzen:

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