Halbautonome weiche Roboter werden Leben retten

Wenn Sie an Roboter denken, stellen Sie sich wahrscheinlich eine starre Maschine vor, die Aufgaben erledigen oder Sie bei Ihren Vorhaben unterstützen kann. Eine andere Roboterklasse sorgt jedoch weiterhin für Aufsehen und bringt Innovationen – weiche Roboter. Diese einzigartigen Geräte können ihre Form und ihr Verhalten an zahlreiche Aufgaben anpassen. Das sollten Sie wissen.

Was sind weiche Roboter und warum sind sie Spielveränderer?

Der Bereich der weichen Robotik ist ein spannender Markt, der ständig massive Verbesserungen und Innovationen erfährt. Viele sehen diese Geräte als Schlüssel für Katastrophenhilfe. Die weiche und anpassungsfähige Natur dieser Einheiten ermöglicht es ihnen, durch winzige Löcher und Rohre zu schlüpfen, wenn es nötig ist, und so Orte zu erreichen, die mit herkömmlichen Optionen unmöglich zu erreichen wären.

Weiche Roboter werden aus flexiblen Materialien gebaut, die es ihnen erlauben, ihre Struktur nach Bedarf zu verformen und zu biegen. Diese Geräte gibt es in vielen Formen: Einige sind so konzipiert, dass sie wie eine Schlange durch Rohre schlängeln, während andere sich zu einer Kugel falten oder rollen können, um bei Bedarf einen überlegenen Zugang zu ermöglichen.

Wesentliche Herausforderungen, die die Entwicklung weicher Roboter zurückhalten

Weiche Roboter sind nicht perfekt. Ihr inhärentes Design und die Materialien machen die Herstellung dieser Geräte zu einem Balanceakt zwischen Leistung und der Platzierung von Komponenten in Bereichen, in denen sie die Flexibilität nicht beeinträchtigen. In der Vergangenheit beschränkten Ingenieure die Elektronik, um die Steifigkeit ihrer weichen Roboterelektronik zu reduzieren.

Die Reduzierung der integrierten Sensoren in diesen Systemen hilft, starre Platinen und Servomotoren zu eliminieren, bedeutet jedoch auch, dass diese Geräte meist auf einwegige Kommunikationssysteme beschränkt sind. Diese Systeme ermöglichen es dem Piloten, den Roboter durch unwegsames Gelände zu steuern.

Nachdem die Einschränkungen dieses Ansatzes erkannt wurden, hat ein Team kreativer Ingenieure mehrerer führender Forschungseinrichtungen ein verbessertes weiches Roboterdesign vorgestellt, das die Steifigkeit reduziert und die Gesamtleistung steigert.

Durchbruchstudie enthüllt intelligentere, flexible weiche Roboter

Die Studie “Wireless, Multifunctional System-Integrated Programmable Soft Robot“¹, veröffentlicht in Nano-Micro Letters, führt ein neuartiges weiches Roboterkonzept ein, das leistungsfähiger und erschwinglicher ist als frühere Optionen. Im Rahmen der erweiterten Fähigkeiten des Roboters hat das Team eine Reihe von Sensoren integriert, die dem Gerät ermöglichen, halbautonome Entscheidungen basierend auf seiner aktuellen Situation und Umgebung zu treffen.

Quelle – Jennifer M. McCann

Einblick in das Design der nächsten Generation weicher Roboter

Im Rahmen des neuen weichen Roboterdesigns begann das Team damit, das Layout des weichen Roboters von Grund auf neu zu erstellen. Sie erkannten, dass das Gerät so konstruiert werden muss, dass es mehrere Formen und Bewegungen mit minimalem Energieverbrauch erreichen kann. Um diese Aufgabe zu erfüllen, integrierten sie magnetisch ansprechbare weiche Verbundmatrixen mit deformierbarer multifunktionaler Elektronik.

Wie Ingenieure Flexibilität in fortschrittlichen weichen Robotern bewahren

Die Aufrechterhaltung der Flexibilität weicher Roboter ist für Designer und Ingenieure ein zentrales Problem. Jedes Mal, wenn ein weiterer Chip, Sensor, Akku oder Servomotor hinzugefügt wird, wird die Flexibilität dieses Roboterteils erheblich eingeschränkt. Folglich haben leistungsfähigere weiche Roboter meist weniger Flexibilität, da ihre Kernkomponenten sich nicht biegen können, ohne zu versagen.

Das Team verbrachte viel Zeit damit, den idealen drahtlosen Schaltkreis, die Sensoren und die Geräte zu diskutieren. Anschließend mussten die Ingenieure den besten Ort für diese Geräte bestimmen, der die Bewegung beeinflusst. Am Ende wurde ein spezifisches Layout vereinbart, das die Elektronik so anordnet, dass der Bot sich vollständig anpassen und bei Bedarf sogar zu einer Kugel zusammenrollen kann.

Magnetisch gesteuerte Bewegung: Wie diese weichen Roboter sich bewegen

Die Ingenieure mussten anschließend herausfinden, wie dem Roboter die Fähigkeit verliehen werden kann, seine Form zu verändern. Für diesen Schritt wandten sie sich an mehrere magnetische Verbindungen. Konkret werden die magnetischen Verbindungen durch Mischen der synthetisierten WcMPs mit einem Silikonelastomer und einem Härter hergestellt.

Danach wurde ein Laser verwendet, um die magnetischen weichen Verbundstoffe zu strukturieren, bevor Wärme angewendet wurde. Der nächste Schritt erforderte, dass die Ingenieure ein externes Magnetfeld (200 mT) programmieren, um die Richtung der eingebetteten magnetischen Partikel zu rotieren und auszurichten. Abschließend durften die neu erzeugten Magnete abkühlen.

Diese eigens entwickelten Magnete wurden so konzipiert, dass sie bei niedriger Temperatur einen Phasenübergang durchlaufen, wodurch Ingenieure die magnetische Polarität in Sekunden ändern können. Durch Anpassen von Stärke und Richtung des Feldes kann das Team den Roboter bestimmte Aufgaben und Formen ausführen lassen. Sie stellten fest, dass sie ihr Gerät damit biegen, verdrehen und kriechen lassen konnten.

Präzises Steuern weicher Roboter mit Magnetfeldern

Das Labor entwickelte ein magnetisches Material, das in die flexible Struktur der Einheit eingebettet wurde. Diese Maßnahme ermöglichte es den Ingenieuren, das Gerät mithilfe von Magnetfeldern zu steuern. Die Ingenieure setzten das Feld über Handmagneten und elektromagnetische Feldgeneratoren ein.

Konkret wurden ein kommerzieller permanenter NdFeB-Magnet und ein maßgeschneiderter zylindrischer Elektromagnet als beste Methode gewählt, um ein externes Magnetfeld anzuwenden. Diese Geräte erzeugen genug Kraft, um den magnetischen weichen Roboter zu bewegen.

Integrierte Sensoren, die weiche Roboter halbautonom machen

Im Kern dieser Forschung stand der Wunsch, die ersten halbautonomen weichen Roboter zu schaffen. Diese Geräte würden eine Sensorsuite integrieren, die ihnen ermöglicht, Entscheidungen basierend auf der Umgebung zu treffen. Beispielsweise könnten sie die Einheit so einstellen, dass sie auf Temperaturänderungen, Hindernisse oder Zeitbeschränkungen reagiert.

Überwindung magnetischer Störungen in der Elektronik weicher Roboter

Den Ingenieuren war bewusst, dass das Zusammenwirken von Magneten neue Probleme mit sich bringt, vor allem Störungen. Magnetfelder eignen sich hervorragend zur Aktivierung von Magneten, sind jedoch nicht ideal hinsichtlich elektronischer Interferenzen. Diese Magnetfelder können elektronische Funktionen stören und Chaos erzeugen.

Daher verbrachten die Ingenieure viel Zeit damit, das ideale Layout der Elektronik zu bestimmen. Sie konnten die beste Platzierung von Sensoren und Chips basierend auf Störpegeln und Vorbelastung ermitteln. Dieser Schritt stellte sicher, dass der weiche Roboter nicht plötzlich ausfällt, wenn er seine Form ändert und seine elektromagnetischen Eigenschaften anpasst.

Testen der Fähigkeiten weicher Roboter in realen Umgebungen

Um die Fähigkeiten ihrer weichen Roboter zu demonstrieren, richtete das Team einen kleinen Hindernisparcours ein. Das winzige, magnetisch angetriebene Gerät konnte verschiedene Geländetypen und Hindernisse überwinden und die Strecke erfolgreich absolvieren. Der Roboter ist in einem veröffentlichten Video zu sehen, das zeigt, wie er das Terrain durch Veränderung seiner Form und Anordnung meistert.

Der Roboter betritt zunächst ein Rohr und formt eine Kugel, wodurch er das Hindernis schnell durchqueren kann. Anschließend begegnet er verschiedenen Geländetypen mit unterschiedlicher Anordnung, Höhe und Rauheit. Während dieser Tests beobachteten die Ingenieure besonders Stabilität und elektronische Leistung.

Wie elektrische Komponenten unter magnetischer Belastung performen

Die elektrischen Komponenten des Roboters wurden ebenfalls gründlich getestet. Diese Tests maßen die Auswirkungen elektromagnetischer Interferenzen auf kritische Bauteile wie Induktoren, Temperatur, Dehnung, Transistoren, Kondensatoren, μ‑LED, μ‑Heizer, Mikrocontroller (μC), Dioden und das Bluetooth‑Low‑Energy System‑on‑Chip.

Ergebnisse beweisen, dass das neue weiche Roboterdesign die Leistung steigert

Die Testergebnisse zeigten, dass das neue weiche Roboterdesign hochwirksam ist und besser abschneidet als traditionelle weiche Robotik. Sie stellten fest, dass die kabellosen elektronischen Roboter und die magnetisch ansprechbaren, konstruierten Verbundstoffe den Ingenieuren ermöglichten, ein außergewöhnliches Bewegungsspektrum und Formen zu erreichen.

Das Roboterdesign bietet eine stabile und präzise Ausführung multimodaler elektrischer Funktionen, ohne dass mechanische Bewegungen verloren gehen. Zusätzlich erlaubten die Sensoren dem Roboter, in Echtzeit Entscheidungen zu treffen, um sein Ziel zu erreichen. Dieser Ansatz demonstrierte die Anpassungsfähigkeit und Fähigkeit des Geräts, komplexe Aufgaben unter einer breiten Palette von Bedingungen zu bewältigen.

Vorteile weicher Roboter in Rettung, Medizin und Industrie

Diese Studie bringt zahlreiche Vorteile auf den Markt. Erstens eröffnet sie die Tür für leistungsfähigere und agilere Geräte. Der Einsatz von Magneten anstelle von Servomotoren macht diese Einheiten deutlich flexibler, leichter und reaktionsschneller. Diese Vorteile bedeuten, dass Ingenieure in Zukunft innovativere Designs entwickeln können. Zudem ermöglicht es ihnen, ihre Designs je nach Anforderung zu skalieren – nach oben oder unten.

Praxisnahe Anwendungsfälle und die Zukunft weicher Roboter

Heute gibt es viele Einsatzmöglichkeiten für weiche Roboter. Von der Übernahme industrieller Aufgaben bis hin zur Zusammenarbeit mit Menschen werden diese Geräte den Markt in vielerlei Hinsicht neu gestalten. Hier sind einige der vielversprechendsten Anwendungsszenarien für weiche Robotik in den kommenden Jahren.

Katastrophenrettung

Viele Analysten sehen weiche Roboter als die beste Lösung für Katastrophenbewältigung. Bei großen Katastrophen wie Erdbeben oder Überschwemmungen können Rettungsteams durch die enorme Menge an Trümmern und Zerstörung behindert werden.

Weiche Roboter sind dafür ausgelegt, solche Bedingungen mühelos zu bewältigen. In Zukunft könnten sie mit Sensoren ausgestattet werden, die Überlebende anhand von Herzschlag‑ oder Ammoniaksensoren lokalisieren. Diese Einheiten könnten massenhaft eingesetzt werden, um sich durch eingestürzte Gebäude oder unwegsames Dschungelgelände zu zwängen, bis sie Leben finden. Damit könnten sie ein wertvolles Werkzeug für Ersthelfer werden.

Medizin

Weiche Robotik hat eine lange und interessante Geschichte im medizinischen Bereich. Diese Geräte könnten eines Tages Medikamente in schwer zugängliche Bereiche wie Leber oder Nieren transportieren. Die Roboter werden in der Lage sein, die komplexen Pfade des menschlichen Körpers zu navigieren und Aufgaben zu erledigen.

Beispielsweise würde eine Roboter‑Pille fortschrittliche Sensoren integrieren, die Daten wie pH‑Änderungen oder Druckschwankungen an der Quelle verfolgen können. Ingenieure stellen sich sogar vor, dass man eines Tages eine Injektion erhalten könnte, die den Roboter in den Körper einführt, um kardiovaskuläre Erkrankungen zu behandeln, Medikamente zu verabreichen oder Vitaldaten zu überwachen.

Industrielle Assistenz

Weiche Robotik wird in den Fabriken der Zukunft allgegenwärtig sein. Im Gegensatz zu ihren harten Gegenstücken können weiche Roboter neben Menschen arbeiten, ohne das Verletzungsrisiko zu erhöhen. Wissenschaftler untersuchen bereits ein Reaktionssystem, das auf Sensoren basiert und diese Einheiten bei Kollisionen mit Kolleg*innen wie ein Mensch zurückziehen lässt, um Verletzungen zu verhindern.

Die Ingenieure hinter der Innovation weicher Roboter kennenlernen

Diese Forschung umfasste Teilnehmer mehrerer stark betroffener Bildungseinrichtungen. Konkret führten Ingenieure der Penn State die Studie zusammen mit einem Forscherteam anderer Institutionen.

Der Bericht nennt Sungkeun Han, Jeong‑Woong Shin, Joong Hoon Lee, Bowen Li, Gwan‑Jin Ko, Tae‑Min Jang, Ankan Dutta, Won Bae Han, Seung Min Yang, Dong‑Je Kim, Heeseok Kang, Jun Hyeon Lim, Chan‑Hwi Eom, So Jeong Choi, Huanyu Cheng und Suk‑Won Hwang als Mitwirkende. Außerdem wird angegeben, dass die National Research Foundation of South Korea und das Korea Institute of Science and Technology die Forschung finanziell unterstützt haben.

Was kommt als Nächstes für weiche Roboter: Miniaturisierung und Medizin

Laut den Ingenieuren haben sie viele Pläne, ihr Gerät in Zukunft zu verbessern. Sie hoffen, das System weiter zu miniaturisieren, um es für biomedizinische Anwendungsfälle geeignet zu machen. Stellen Sie sich eine Pille vor, die als Roboter konzipiert ist, um Ihren Darmtrakt und Ihr Verdauungssystem zu scannen. All diese Optionen und mehr stehen auf dem Tisch.

Investing in BioTechnology

Der Robotikbereich ist ein schnell wachsender Sektor, der von Unternehmen reicht, die Kriegsmaterial herstellen, bis hin zu mikroskopischen Maschinen, die man schlucken kann. Dieser vielfältige Sektor hat in den letzten zehn Jahren erhebliche Investitionen und Innovationen erlebt. Diese Forschung hat zur Einführung von Hochleistungsrobotern geführt, die jetzt kommerziell erhältlich sind. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin Innovationen in Robotik und Biotechnologie vorantreibt.

iRhythm Technologies: Ein führendes KI‑gesteuertes Unternehmen für kardiologische Überwachung

Obwohl die aktuelle Studie noch nicht kommerzialisiert ist, zeigen andere Biotech‑Unternehmen wie iRhythm Technologies bereits das Potenzial, KI mit gesundheitsüberwachender Robotik zu verbinden.

iRhythm Technologies (IRTC ) wurde 2006 gegründet und ist in Delaware eingetragen. Der Gründer, Uday N. Kumar, gründete das Unternehmen, um Ersthelfern hochmoderne kardiovaskuläre Überwachungssysteme bereitzustellen. Sein erstes Produkt war ein Sensor‑Patch, das im Gesundheitssektor Verbreitung fand.

Heute bietet iRhythm Technologies eine Reihe fortschrittlicher kardiologischer Überwachungsgeräte an. Diese Einheiten kombinieren proprietäre künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, um Arrhythmien schneller zu erkennen. Bemerkenswerterweise verbessert das Unternehmen seine Produkte und KI kontinuierlich, indem es seine Daten in zukünftige Geräte integriert. Wer Zugang zu einem Biotech‑Unternehmen sucht, das bereits starke Marktunterstützung genießt, sollte IRTC in Betracht ziehen.

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Why Soft Robots Could Be Lifesaving in the Near Future

Wenn man die Anwendungsszenarien und Fähigkeiten dieser Geräte betrachtet, wird schnell klar, dass sie eine Nische füllen, die traditionelle Roboter nie erreichen könnten. Daher wird die Nachfrage nach diesen einzigartigen Geräten steigen, sobald ihre Fähigkeiten besser verstanden werden.

Glücklicherweise hilft diese neueste Studie, Licht auf diese Geräte zu werfen und öffnet die Tür für weitere Innovationen. Wer jetzt Interesse daran hat, Namen für diese Roboter vorzuschlagen, kann seine besten Optionen an Cheng unter [email protected] senden.

Erfahren Sie hier mehr über andere coole Robotik hier.

Studien zitiert:

^{1. Han, S., Shin, JW., Lee, J.H. et al. Wireless, Multifunctional System-Integrated Programmable Soft Robot. Nano-Micro Lett. 17, 152 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01601-3}