Wissenschaftler entwickeln den weltweit ersten Soft-Roboter mit einem 3D-gedruckten Körper, der wie ein Mensch springen kann

Der weltweit erste 3D-gedruckte Soft-Roboter kann wie ein Mensch springen

Forscher der Harvard-Universität haben den ersten Roboter mit einem 3D-gedruckten Körper entwickelt, der von einem starren Kern zu einem weichen Äußeren übergeht und mehr als 30 ungebundene Sprünge ausführen kann. Der Roboter wird durch eine Kombination aus Butan und Sauerstoff angetrieben. Er mag sich weich und schwammig anfühlen, aber ein neuer Roboter ist von innen stark und bereit zu springen, sagten die Forscher.

“Wir glauben, dass die Kombination von weichen und starren Materialien helfen wird, eine neue Generation von schnellen, wachsamen Robotern zu schaffen, die gesünder und flexibler sind als ihre Vorgänger und sicher Seite an Seite mit Menschen arbeiten können”, sagte Michael Tolley, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of California – San Diego.

Tolley sagte, dass die Idee, weiche und harte Materialien in den Körper des Roboters zu integrieren, aus der Natur stammt. Zum Beispiel haben bestimmte Muschelarten einen Fuß, der weich beginnt und dann an dem Punkt, an dem er mit Felsen in Kontakt kommt, starr wird.

Wissenschaftler sagten, dass solche springenden Roboter eines Tages in rauen Umgebungen nützlich sein könnten, die für Menschen zu gefährlich sind, insbesondere weil die Bots in der Lage sind, harte Stürze und andere unerwartete Bedingungen zu überstehen.

Weiche Roboter neigen dazu, langsam zu sein, insbesondere wenn sie Aufgaben ohne Verbindung zu Stromquellen und anderen Elektronikkomponenten ausführen. Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit es ermöglichen wird, starre Komponenten besser in weiche Roboter zu integrieren, die dann schneller bewegen können, ohne die Sicherheit der Menschen, die mit ihnen arbeiten, zu gefährden. Starre Schichten sorgen für eine bessere Schnittstelle mit den elektronischen Gehirnen und Energiequellen des Geräts. Die weichen Schichten machen es weniger anfällig für Schäden, wenn es nach dem Sprung landet.

“Eine wilde mögliche Anwendung wäre im Weltraum – auf dem Mond oder dem Mars oder anderen Planeten”, sagte Nicholas Bartlett, Mitautor der Studie und Robotikexperte an der Harvard-Universität. “Man könnte auch an praktischere Anwendungen denken, wie zum Beispiel Such- und Rettungsmissionen in Katastrophenszenarien wie eingestürzten Gebäuden, wo ein weicher Roboter dorthin gehen könnte, wo kein radbetriebener Roboter navigieren könnte.”

Der verbrennungsbetriebene Bot hat zwei Hauptteile: einen weichen kolbenartigen Körper mit drei pneumatischen Beinen und ein starres Kernmodul, das die Energie- und Steuermechanismen enthält.

Das Kernmodul ist durch einen halbweichen Schutz geschützt, der mit einem 3D-Drucker erstellt wurde. Um die Bewegung zu beginnen, bläst der Roboter seine pneumatischen Beine auf, um seinen Körper in die Richtung zu kippen, in die er gehen möchte.

Harvard glaubt, dass es ein leistungsstarker Hopper ist, der bis zu sechsmal seine Körperhöhe in vertikalen Sprüngen und die Hälfte seiner Körpergröße in Quersprüngen erreicht. Im Feld könnte die hüpfende Bewegung eine effektive Möglichkeit sein, schnell und einfach um Hindernisse herum zu navigieren.

“Das Wunderbare an weichen Robotern ist, dass sie sich gut für Grausamkeiten eignen”, sagte Nicholas Bartlett, Erstautor der Arbeit.

Der Roboter besteht aus zwei ineinander geschachtelten Halbkugeln. Die obere Halbkugel ist wie eine halbe Schale, 3D-gedruckt in einem Stück, mit neun verschiedenen Schichten von Härte, die eine Struktur schaffen, die von gummiartiger Flexibilität an der Außenseite bis zu voller Starrheit in der Nähe des Kerns reicht.

Die Forscher haben mehrere Versionen des Designs ausprobiert und festgestellt, dass eine vollständig feste Oberseite höhere Sprünge ermöglichen würde. Aber eine flexiblere Spitze war wahrscheinlicher, um Stöße beim Landen zu überstehen, was es dem Roboter ermöglicht, wiederverwendet zu werden. Sie entschieden sich für das flexiblere Design.

Die untere Hälfte des Roboters ist flexibel und enthält eine kleine Kammer, in die Sauerstoff und Butan injiziert werden, bevor er springt. Nachdem die Gase entzündet wurden, verhält sich diese Hälfte sehr ähnlich wie ein Basketball, der fast direkt aufgepumpt wird und den Roboter in einen Sprung katapultiert. Wenn die chemische Ladung erschöpft ist, kehrt die untere Halbkugel in ihre ursprüngliche Form zurück.

Die beiden Halbkugeln umgeben ein starres Kernmodul, das eine benutzerdefinierte Leiterplatte, eine Hochspannungsquelle, eine Batterie, einen Miniaturluftkompressor, eine Butan-Brennstoffzelle und andere Komponenten beherbergt. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Die zunehmende Breite der Materialien, die mit 3D-Druckern abgestimmt sind, ermöglicht es Ingenieuren, neue Designs schneller zu prototypisieren und das alte Sprichwort zu widerlegen, dass eine erhöhte Komplexität notwendigerweise zu höheren Kosten führt.

“Weiche Robotik ist ein relativ vielversprechendes Teilgebiet, und 3D-Druck erweitert die Möglichkeiten, die wir auf wirklich praktische Weise umsetzen können”, sagte Wood.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.