Ein Forschungsteam der Universität Freiburg hat 3D-gedruckte pneumatische Logikmodule entwickelt, welche die Bewegungen von Softrobotern allein durch Luftdruck steuern.
Die Module ermöglichen eine logische Schaltung des Luftstroms und können so eine elektrische Steuerung imitieren. Mit den Modulen sei es laut eigenen Angaben zum ersten Mal möglich, flexible und elektronikfreie Softroboter vollständig im 3D-Drucker mit Filament aus konventionellem Druckmaterial herzustellen. Das Forschungsteam um Dr. Stefan Conrad, Dr. Falk Tauber, Joscha Teichmann, und Prof. Dr. Thomas Speck vom Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (livMatS) hat seine Ergebnisse im Fachjournal Science Robotics veröffentlicht.
Softroboter können in Zukunft Aufgaben übernehmen, an denen herkömmliche Roboter scheitern. Die weichen Roboter könnten in schwer zugänglichem Gelände und in Umgebungen zum Einsatz kommen, in denen sie etwa Chemikalien oder Strahlung ausgesetzt sind, die elektronisch gesteuerten Robotern aus Metall schaden würden. Dafür ist es notwendig, dass diese Softroboter ohne jegliche Elektronik steuerbar sind. Dies stellt in der Entwicklung bisher noch eine Herausforderung dar. Die pneumatischen Logikmodule des Freiburger Forschungsteams machen es nun möglich, elektrische Steuerung in Softrobotern zu ersetzen.
Pneumatisch gesteuert: Elektronikfreier Getränkespender (Bild: Falk Tauber)
Elektronikfreie pneumatische Steuerkreise
„Unser Design ermöglicht es allen, die Erfahrung im 3D-Druck haben, solche Logikmodule herzustellen und für die Steuerung eines Softroboters zu verwenden, ohne dass dafür eine High-End-Druckausrüstung nötig ist“, sagt Conrad. „Dies markiert einen bedeutenden Schritt hin zu völlig elektronikfreien pneumatischen Steuerkreisen, die künftig immer komplexere elektrische Komponenten in Softrobotern ersetzen können.“
Boolesche Operationen ausführen und Bewegungselemente lenken
Die Module bestehen aus zwei Kammern, die unter Druck stehen. Zwischen diesen Kammern verläuft ein 3D-gedruckter Kanal. Indem die Kammern auf den Kanal drücken, können sie den Luftfluss darin unterbinden und diesen so wie ein Ventil regulieren. Durch das gezielte Öffnen und Schließen des Ventils können die Module ähnlich wie elektrische Schaltungen die booleschen, logischen Funktionen „UND“, „ODER“ und „NICHT“ ausführen und gezielt Luftstrom in die Bewegungselemente des Softroboters lenken.
Welche Funktion das einzelne Modul ausführt, wird dadurch festgelegt, in welche Kammern Luftdruck gegeben wird. Je nach gewähltem Material, können die Module mit einem Druck zwischen 80 und mehr als 750 kPa betrieben werden. Dabei haben sie eine im Vergleich zu anderen pneumatischen Systemen schnelle Reaktionszeit von etwa 100 ms.
Vielfältig einsetzbar
„Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Module sind enorm. Wir haben einen flexiblen 3D-gedruckten robotischen Läufer entwickelt, der durch einen integrierten Schaltkreis per Luftdruck gesteuert wird. Wie nachgiebig die Logikmodule sind, zeigt sich daran, dass dieser Läufer sogar die Last eines Autos aushält, das über ihn fährt“, so Tauber. „Als Beispiel für komplexere Steuerungen haben wir zusätzlich einen elektronikfreien Getränkespender entwickelt.“
