Additive Fertigung Bioinspiriert: 3D-gedruckter Elefantenroboter

Anbieter zum Thema

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Franke GmbH

invenio AG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Forscher der EPFL haben eine programmierbare Gitterstruktur für die Robotik entwickelt, die sich in 3D drucken lässt und die enorme Vielfalt biologischer Gewebe – von flexiblen Körperstämmen bis hin zu starren Knochen – mit einem einzigen Schaumstoffmaterial nachahmt.

Der kraftvolle Sprint eines Geparden, das geschmeidige Gleiten einer Schlange oder der geschickte Griff eines Menschen: All dies wird durch das nahtlose Zusammenspiel von weichen und festen Geweben ermöglicht. Muskeln, Sehnen, Bänder und Knochen arbeiten zusammen, um die Energie, Präzision und Bewegungsfreiheit bereitzustellen, die für die komplexen Bewegungen im gesamten Tierreich erforderlich sind.

Diese Vielfalt des Bewegungsapparats in der Robotik nachzubilden, ist eine enorme Herausforderung. Bislang hat der 3D-Druck von mehreren Materialien ermöglicht, weich-starre Roboter herzustellen. Dieser Ansatz kann zwar die Vielfalt biologischer Gewebe nachahmen, bedeutet jedoch, dass wichtige Eigenschaften wie Steifigkeit oder Belastbarkeit nicht kontinuierlich über die gesamte Roboterstruktur hinweg gesteuert werden können.

Nun hat ein Team unter der Leitung von Josie Hughes vom Computational Robot Design and Fabrication Lab (CREATE) der EPFL-Fakultät für Ingenieurwissenschaften eine Gitterstruktur entwickelt, die die Vielfalt biologischer Gewebe mit robotergestützter Steuerung und Präzision verbindet. Das Gitter aus einem einfachen Schaumstoff besteht aus einzelnen Einheiten (Zellen), die so programmiert werden können, dass sie unterschiedliche Formen und Positionen einnehmen. Diese Zellen können über eine Million verschiedene Konfigurationen annehmen und sogar zu unendlichen geometrischen Variationen kombiniert werden.

Konstruktion von leichten, anpassungsfähigen Robotern

„Wir haben unsere programmierbare Gittertechnik verwendet, um einen vom Bewegungsapparat inspirierten Elefantenroboter mit einem weichen Rüssel zu bauen, der sich drehen, beugen und rotieren lässt, sowie mit steiferen Hüft-, Knie- und Fußgelenken“, sagt Postdoktorand Qinghua Guan. „Dies zeigt, dass unsere Methode eine skalierbare Lösung für die Konstruktion von beispiellos leichten, anpassungsfähigen Robotern bietet.“ Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in Science Advances veröffentlicht.

Das programmierbare Gitter des Teams kann mit zwei Hauptzelltypen mit unterschiedlichen Geometrien gedruckt werden: der kubisch-raumzentrierten Zelle (BCC) und dem X-Würfel. Wenn jeder Zelltyp zum 3D-Druck eines robotischen „Gewebes“ verwendet wird, weist das resultierende Gitter unterschiedliche Steifigkeits-, Verformungs- und Belastungseigenschaften auf. Die Methode des CREATE Lab ermöglicht es jedoch auch, Gitter aus Hybridzellen zu drucken, deren Form irgendwo zwischen BCC und X-Cube liegt.

„Dieser Ansatz ermöglicht die kontinuierliche räumliche Überblendung von Steifigkeitsprofilen und erlaubt eine unendliche Bandbreite an überblendeten Einheitszellen. Er eignet sich besonders gut für die Nachbildung der Struktur von Muskelorganen wie einem Elefantenrüssel“, sagt Doktorand Benhui Dai.

Zusätzlich zur Modulation der Form jeder Zelle können die Wissenschaftler auch ihre Position innerhalb des Gitters programmieren. Diese zweite Programmierdimension ermöglicht es ihnen, jede Zelle entlang ihrer Achse zu drehen und zu verschieben (zu translatieren). Die Zellen können sogar übereinandergelegt werden, um völlig neue Zellkombinationen zu schaffen, wodurch das resultierende Gitter ein noch breiteres Spektrum an mechanischen Eigenschaften erhält. Um eine Vorstellung vom schier unendlichen Umfang der möglichen Variationen zu vermitteln: Ein Gitterwürfel mit vier übereinanderliegenden Zellen kann rund 4 Millionen mögliche Konfigurationen ergeben, bei fünf Zellen sind es über 75 Millionen Konfigurationen.

Bildergalerie

Komplexe Bewegung des muskulösen Elefantenrüssels nachgebildet

Für ihr Elefantenmodell ermöglichte diese doppelte Programmierfähigkeit die Herstellung verschiedener Gewebetypen mit einzigartigen Bewegungsbereichen, darunter ein Gleitgelenk (zu finden in den kleinen Knochen des Fußes), ein einachsiges Biege-Gelenk (zu finden im Knie) und ein zweiachsiges Biege-Gelenk (zu finden in den Zehen). Das Team war sogar in der Lage, die komplexe Bewegung des muskulösen Rüssels eines Elefanten nachzubilden, indem es separate Gitterabschnitte für Dreh-, Biege- und Rotationsbewegungen entwickelte und dabei für reibungslose und kontinuierliche Übergänge zwischen ihnen sorgte.

Hughes sagt, dass ihre Schaumgittertechnologie neben der Modifizierung des Schaummaterials oder der Einbeziehung neuer Zellformen viele spannende Möglichkeiten für die zukünftige Robotikforschung bietet. „Wie bei einer Bienenwabe kann das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht des Gitters sehr hoch sein, was sehr leichte und effiziente Roboter ermöglicht. Die offene Schaumstruktur eignet sich gut für Bewegungen in Flüssigkeiten und bietet sogar das Potenzial, andere Materialien wie Sensoren in die Struktur einzubauen, um den Schaumstoffen weitere Intelligenz zu verleihen.“

(ID:50487309)