Federkraft nutzen, um den Energieverbrauch in der Robotik zu senken

Ein von der National Science Foundation gefördertes Forschungsprojekt hat letzte Woche einige Einblicke darüber geliefert, wie Federn Motoren in Zukunft effizienter machen könnten. Die Studie wurde von zwei Maschinenbauingenieuren, Erez Krimsky und Steven H. Collins, vorgestellt. In ihrem Bericht gehen sie detailliert auf die Vorteile eines federbasierten Hybridmotors ein, bevor sie einen funktionierenden Prototyp vorstellen.  Das sollten Sie wissen.

Warum Federn die Antwort sein könnten

Federn mögen auf den ersten Blick eine unwahrscheinliche Lösung für das Verschleißen von Motoren oder den hohen Energieverbrauch zu sein scheinen. Dennoch machen einige einzigartige Eigenschaften Federn ideal für diese Aufgabe. Zum einen können sie Drehmoment erzeugen, ohne Energie zu benötigen.

Federn können elastische Energie beim Dehnen nahezu verlustfrei speichern. Diese elastische Energie kann effizient direkt in mechanische Kraft umgewandelt werden. Zusätzlich können Federn angepasst oder zusammen verwendet werden, um das Drehmoment bei Bedarf zu erhöhen oder zu verringern.

Herausforderungen, die es zu überwinden gilt

In der Vergangenheit gab es bereits einige intuitive Köpfe, die das Potenzial von Federn zur Energiespeicherung und -umwandlung erkannten. Dennoch mussten einige spezifische Herausforderungen gemeistert werden, damit diese früheren Projekte erfolgreich sein konnten. Zum einen sind Federn berüchtigt schwer zu steuern.

Ja, wenn man eine Feder zieht, springt sie zurück. Das Problem besteht darin, eine Feder zu entwickeln, die über Tausende oder Millionen von Einsätzen mit derselben Rate zurückspringt. Daher war eine der ersten Aufgaben der Ingenieure, herauszufinden, wie sie die zu integrierenden Federn kontrollieren können.

Neues Federdesign

Nach kurzer Überlegung entschieden sie, dass ein neues Design erforderlich sei. Sie entwickelten ein völlig neues, leichtes, elastisch energieaktiviertes Feder‑Setup für das Projekt. Diese Federn bestehen aus einem elastischen Material, das über den Rahmen gespannt wird. Wenn ein elektrischer Strom angelegt wird, zieht die Feder zurück und spannt sich. Diese Strategie ermöglichte es den Entwicklern, vier Federn nebeneinander zu stapeln.

Der Einsatz mehrerer Federn fügt dem Motor zusätzliches Drehmoment und Steuerungsoptionen hinzu. Nutzer können bei steigenden Leistungsanforderungen eine oder mehrere Federn aktivieren. Dieser Ansatz ermöglichte die Erstellung einer kleinen Version ihres Motors, die künftig in kommerziellen und robotischen Anwendungen eingesetzt werden könnte.

Der Prototyp – Recycling‑Aktuator

Der offizielle Prototyp des parallel‑elastischen Aktuatormotors befindet sich bereits in der Testphase. Dieser winzige Motor integriert vier elektrostatische Federn, die parallel laufen. Diese Struktur ermöglicht es dem Motor, die Federn zu nutzen, um die Arbeitsbelastung zu senken, Leistung hinzuzufügen und den mechanischen Verschleiß zu reduzieren.

Testergebnisse zeigen vielversprechend

Der Bericht zeigte beeindruckende Testergebnisse des Prototyps. Die Entwickler unterzogen den Aktuator mehreren zyklischen Testfällen, um die Auswirkungen der Federn auf das Gerät zu bewerten. Von Anfang an wurde klar, dass die Federn die Effizienz deutlich steigerten.

Interessanterweise stellten die Entwickler fest, dass die Federn wie ein Getriebe am Motor wirken, sodass man Gänge schalten kann, um mehr Drehmoment zu erhalten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Getrieben, die mechanische Kupplungen benötigen, integriert dieses Setup nahtlos elektrische Kupplungen, die bei Bedarf aktiviert werden.

Elektroadhäsive Kupplungen

Der Einsatz von Paaren elektroadhäsiver Kupplungen, um Federn unter Spannung zu verriegeln, war eine bedeutende Innovation. Diese Kupplungen wurden so dünn wie möglich konstruiert, um das Gewicht zu reduzieren. Sie sind dielektrisch beschichtet und können ohne Reibung durchlaufen, wenn sie nicht geladen sind. Bemerkenswert ist, dass die Kupplungen bei angelegter Spannung einrasten.

Diese Art von elektrischer Kupplung benötigt minimale Leistung und bietet nahezu sofortige Reaktionsfähigkeit. Zusätzlich bieten sie im Vergleich zu mechanischen Optionen eine hohe Effizienz und können kostengünstig hergestellt werden. Diese Faktoren bedeuten, dass ihr Einsatz in elektrostatischen Feder‑Motoren zum Standard werden könnte.

Vorteile, die Feder‑Motoren auf den Markt bringen

Dieser Motortyp bietet zahlreiche Vorteile. Erstens verbessert er die Effizienz in einem großen Marktsegment. Diese Geräte sind energieeffizient und nachhaltig gebaut. Darüber hinaus erfordert ihr leichtes Design deutlich weniger Energie für Transport oder Betrieb.

Motorverschleiß reduzieren

Ein weiterer großer Vorteil dieses Motortyps ist die Reduzierung des Verschleißes. Heutige Motoren sind für sämtliche mechanischen Bewegungen verantwortlich. Das bedeutet, dass ein Motor, der ein Teil auf einer Fertigungsstraße abstempelt, seine Energie sowohl zum Abstempeln als auch zum Anheben des Stempels nach der Aktion verwendet.

Stellen Sie sich denselben Roboter vor, bei dem er nur noch abstempeln muss. Die Federn greifen dann ein und heben die Platte wieder an. Diese Art der Federintegration könnte den Motorverschleiß erheblich reduzieren, indem sie die Hälfte des Betriebszyklus eliminiert. Sie verringert zudem den thermischen Verschleiß. Heiße Motoren arbeiten weniger effizient und sind anfälliger für Ausfälle.

Theoretisch könnten federbetriebene Motoren doppelt so lange halten wie rein mechanische Gegenstücke. Sie würden weniger Energie zum Betrieb benötigen und wären leichter zu transportieren oder unterwegs zu betreiben. Diese Faktoren führen dazu, dass immer mehr Forscher in diesen Sektor einsteigen.

Vielseitigkeit

Der federbasierte Motor der Forscher erwies sich als äußerst vielseitig. Das mechanische Setup ermöglicht es, jede Feder bei Bedarf einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren. Diese Struktur bietet zudem feine Kontrolle und eliminiert Energieverluste.

Mit dem Wachstum der Robotik steigt die Nachfrage nach Einheiten mit feinen motorischen Fähigkeiten. Überraschenderweise ist es einfacher, einen Roboter zu finden, der ein Auto heben kann, als einen, der ein Ei aufheben kann, ohne es zu zerbrechen. Feder‑Aktuatormotoren könnten das fehlende Bindeglied in diesem Bestreben sein, da sie Ingenieuren ermöglichen, exakt feinen Druck anzuwenden, wenn nötig, ohne zusätzliches Gewicht.

Höhere Energieeffizienz

Der Einsatz von Federn, um den Betriebszyklus von Motoren zu verkürzen, ist logisch, und die Daten beweisen es. Der Forschungsbericht zeigt, dass ihr Motor den Energieverbrauch im Durchschnitt um 50 % reduzierte. Die Studie ergab, dass je nach Aufgabe die Energieeinsparungen bis zu 97 % betragen können. Daher gibt es viel Aufsehen darüber, wie diese Motoren eines Tages Geräte ermöglichen werden, weiter und länger zu arbeiten als je zuvor.

Energie effizient speichern

Ein weiterer großer Nutzen ist die Möglichkeit für Ingenieure, elastische Energierückgewinnung zu integrieren, um Batterien zu betreiben. Federn können als mechanische Batterie oder in Kombination mit herkömmlichen Batterien verwendet werden, um Speicher- und Umwandlungseffizienz zu verbessern. Der Einsatz von stromsparenden Kupplungen durch die Ingenieure ist ein Beispiel dafür, wie diese Technologie die Batterien der Zukunft antreiben könnte.

Marktauswirkungen

Diese jüngste Entwicklung hat das Potenzial, eine Vielzahl von Märkten zu revolutionieren, die von Robotern abhängig sind oder deren Abhängigkeit wächst. Feder‑Motoren könnten helfen, energiearme robotische Systeme zu schaffen, die lange Arbeitstage ohne Aufladung bewältigen.

Die technologische Revolution ist bereits im Gange, und Alltagsroboter übernehmen immer mehr tägliche Aufgaben von Menschen. Da diese Geräte ihre Umgebung wahrnehmen, Fähigkeiten hinzufügen und fließend mit Menschen kommunizieren lernen, wird die Nachfrage nach energiearmen Motoren exponentiell steigen.

Fertigung

Der Fertigungs‑ und Industriesektor sucht seit Jahrzehnten nach energiearmen Robotern. Große Unternehmen haben bereits Milliarden in ihre robotische Infrastruktur investiert. Diese frühen Roboter haben ihnen Milliarden gespart, erforderten jedoch aufgrund ihres Designs viel Energie und Wartung.

Die nächste Generation von Robotern wird kostengünstiger im Betrieb, intelligenter und wartungsärmer sein. Diese Geräte dringen bereits mit fortschrittlichen KI‑Systemen in den Markt ein. In Zukunft könnten Feder‑Motoren Herstellern helfen, ihre Kosten um die Hälfte zu senken und gleichzeitig die Produktqualität zu verbessern.

Gesundheitswesen

Wenn man an Robotik denkt, ist das Gesundheitswesen vielleicht nicht die erste Branche, die einem einfällt. Die robotische Integration im Gesundheitswesen gibt es bereits seit Jahrzehnten, und diese neueste Entwicklung könnte das Ganze in den Hyperdrive schalten. Das leichte und robuste Wesen von Feder‑Motoren könnte eines Tages Prothesen oder Exoskelette zugänglicher machen.

Roboter unterstützen bereits Menschen mit Behinderungen, ein erfüllteres Leben zu führen. Diese Geräte leichter und effizienter zu machen, eröffnet neuen Menschen die Möglichkeit, Hilfe zu erhalten. Bemerkenswert ist, dass bereits eine Vielzahl interessanter Gesundheitsprojekte läuft, die Robotik und Gesundheitswesen kombinieren, um Leben zu verbessern.

KI könnte der Schlüssel sein

Der Einsatz von elektrostatischen Federn zur Entlastung der Motorarbeit ist ein großer Schritt hin zu wirklich nachhaltigen Robotern. Die andere Seite dieser Gleichung besteht darin, die Schwellenwerte und Fähigkeiten der in diesen Geräten verwendeten Materialien zu bestimmen. KI hat sich dabei als unverzichtbares Werkzeug erwiesen.

Sie hat geholfen, neue Designs zu entwickeln und zu konfigurieren, Szenarien virtuell zu testen und Deep‑Learning‑Algorithmen zu programmieren. Zusammen haben diese Entwicklungen dazu beigetragen, KI‑Robotik zur nächsten Grenze zu machen.

Der Robotikmarkt in Bewegung

Ein kurzer Blick genügt, um zu sehen, dass der Robotiksektor zu den heißesten Märkten der Technologie gehört. Von großen Unternehmen, die diese Geräte einsetzen wollen, um Betriebskosten zu senken, bis hin zu Start‑ups, die die Grenzen der Technologie verschieben, gibt es viele Projekte, die einen Blick wert sind. Hier sind einige Robotikfirmen, die Sie im Auge behalten sollten.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) wurde 1988 gegründet und hat Niederlassungen in der Schweiz. Die Robotikabteilung des Unternehmens ist seit Jahrzehnten ein Vorreiter auf dem Markt. ABB‑Roboter sind weltweit zu finden. Der Hersteller hat bis heute über 500 000 Einheiten produziert und ausgeliefert.

ABB gehört zu den weltweit leistungsstärksten Herstellern. Das Unternehmen beschäftigt über 11 000 Experten und ist in mehr als 53 Ländern aktiv. Heute bleibt es eine treibende Kraft, die ein breites Spektrum an robotischen Lösungen für Industriepartner anbietet.

2. KUKA

KUKA ist ein deutscher Robotikhersteller, der 2016 von der chinesischen Midea Group übernommen wurde. Das Unternehmen bietet intelligente Robotiklösungen, die vollständige Automatisierung und zentrale Steuerungsoptionen umfassen. KUKA bleibt ein Motor für Innovation und bietet Lösungen, die von einfachen Robotern bis zu kompletten Systemen reichen.

KUKA beschäftigt über 14 000 Robotik‑Experten und erzielt jährlich einen Umsatz von über 3,2 Mrd. $. Das Bekenntnis zu Qualität und Innovation hat dem Hersteller geholfen, zu einem der bekanntesten Namen im Robotikmarkt zu werden. Es ist zu erwarten, dass diese Gruppe weiter wächst, während sie ihre Aktivitäten ausweitet, um die Kundennachfrage zu decken.

3. HoneyBee Robotics

HoneyBee Robotics ist ein bedeutender Akteur im Verteidigungs‑ und Weltraumforschungssektor. Beeindruckenderweise hat die Gruppe in der Vergangenheit mehrfach mit der NASA zusammengearbeitet. Derzeit arbeitet sie mit Forschern zusammen, um robotische Bergbausysteme zu entwickeln, die in Niedrig‑Gravitations‑Umgebungen und darüber hinaus operieren können.

Die intelligenten Ausgrabungssysteme von HoneyBee sind bereits international im Einsatz. Diese Produkte ermöglichen das Durchführen von Bohrungen und Probenahmen in Echtzeit über große Flächen hinweg. Das Unternehmen stellt zudem Verteidigungsroboter her, die Soldaten im Feld unterstützen.

Startups, die die Grenzen verschieben

Ein Großteil der Entwicklungen im Robotiksektor stammt von der wachsenden Zahl an Start‑ups, die in den Markt eintreten. Diese Unternehmen wollen das robotische Erlebnis durch kreative Strategien und Geschäftsmodelle auf ein neues Niveau heben.

OutRider

An einem heißen Sommertag kann das Rasenmähen wie Folter erscheinen, besonders wenn man einen Garten hat, der ständige Pflege erfordert, um überhaupt akzeptabel auszusehen. OutRider löst dieses Problem mit der Einführung intelligenter Landschafts‑Roboter.

Diese Geräte erzeugen eine Echtzeit‑Standortstruktur, die es ihnen ermöglicht, komplexe Manöver durchzuführen. Sie können sogar zusammenarbeiten, um große Aufträge schneller zu erledigen. Wer Tausende für die Instandhaltung riesiger Grundstücke oder Unternehmen ausgibt, wird den Sinn in diesen hocheffizienten robotischen Landschaftslösungen erkennen.

Roboter springen in Aktion

Es ist interessant zu sehen, dass das Konzept, Federn zu nutzen, wieder als einer der besten Wege hervorgegangen ist, die Robotik voranzutreiben. Diese Systeme verkörpern den Ingenieur‑Geist und könnten das Leben von Millionen erleichtern. Aus diesen Gründen muss man diesen Forschern und allen, die gemeinsam mit ihnen daran arbeiten, zu gratulieren, dass sie energiearme Roboter zur Realität machen.