Ein Ingenieursteam der Princeton University hat weich-starre Hybridroboter entwickelt, die aus einem Flüssigkeits-Elastomer bestehen, der durch Erwärmung und durch eine Origami-Falttechnik in Bewegung versetzt wird. Die Roboter kommen so ohne Motoren oder pneumatische Systeme aus und unterliegen kaum Verschleiß.
Die Wissenschaftler der Princeton University kombinierten ein spezielles Flüssigkristall-Polymer mit der japanischen Origami-Falttechnik, um daraus bewegliche Roboter zu formen, wie aus der Studie „Digital Actuation Control of Soft Robotic Origami With Self-Folding Liquid Crystal Elastomer Hinges“ hervorgeht, die in Advanced Functional Materials erschienen ist.
Robotergelenke im Material eingebettet
Die Forscher druckten aus dem Polymer mit einem speziell angefertigten 3D-Drucker eine Roboterstruktur, die die interne Ausrichtung der Molekularstruktur des Polymers berücksichtigt. So konnten die Wissenschaftler strukturierte Zonen drucken, in denen im gedruckten Material eine konsistente Molekülausrichtung besteht. Durch die Stapelung und Verbindung dieser Zonen gelang es, Gelenke im Material selbst zu erzeugen, die sich unter Erhitzung des Materials auf angedachte Weise verformen.
Die Wissenschaftler integrierten während des Druckprozesses flexible Elektronikleiterplatten im Gelenkbereich in das Material, um die Wärme-Aktuatoren besser ansteuern zu können. Die direkte Integration in die Gelenke habe den Vorteil, dass die Elektronik nicht in einem separaten Schritt aufgebracht werden muss, der die Fertigung verkompliziere und verteuere. Zudem sei die Ansteuerung dadurch einfacher und funktionaler zu realisieren.
Über die flexiblen Leiterplatten steuerten die Wissenschaftler die ebenfalls in die Gelenke eingebetteten Wärme-Aktuatoren mit integrierten Temperatursensoren an. Durch die gezielte Erwärmung bestimmter Bereiche zieht sich das Material in der von den Forschern durch den Druck vorbestimmten Weise zusammen. Dabei nutzen die Forscher die präzise Struktur des Polymers aus.
Mit Origami-Faltung zur perfekten Bewegung
Die Biegung des Materials wird dazu verwendet, um über Origami-Faltungen entlang von Scharnieren bestimmte Bewegungen auszulösen. Die Forscher fügten dazu leichte Glasfaserplatten zwischen den flexiblen Leiterplatten und den Polymerscharnieren ein, um die gewünschten Bewegungsabläufe sicherzustellen. Die eingebetteten Temperatursensoren dienen dazu, um die Wärme-Aktuatoren so anzusteuern, dass kleinere Ungenauigkeiten bei wiederholtem Formwechsel ausgeglichen werden können. Die nötigen Origami-Faltmuster hatten die Wissenschaftler zuvor mittels mathematischer Berechnungen abgeleitet.
Die Forscher stellten mit der Technik unter anderem einen kranichartigen Roboter her, der seinen Körper bewegen und mit seinen Flügeln schlagen kann. Allerdings fallen die Bewegungen dabei recht langsam aus. Um weitere Roboter einfacher erstellen zu können, haben die Forscher mit OriCadLCE ein Software-Tool entwickelt. Damit können Origami-Roboter, die mit Wärme-Aktuatoren arbeiten, schneller konstruiert werden.
(olb)
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