Faszination Technik Fadenförmiger Motor treibt Soft-Roboter an

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie ein flexibler, nur wenige Millimeter dicker Motor genügend Kraft erzeugt, um Soft-Roboter anzutreiben.

Ingenieure des Soft Transducers Laboratory an der EPFL haben bereits 2023 die weltweit erste Pumpe in Faserform entwickelt. Ihr flexibler Schlauch kann selbst Flüssigkeitsdruck und Durchfluss erzeugen. Er lässt sich in intelligente Textilien einnähen, um Flüssigkeiten für die Thermoregulierung und haptisches Feedback zirkulieren zu lassen oder tragbare Assistenzgeräte anzutreiben.
Nun hat das Team mit FiberMotor seine für Textilien geeignete Technologie weiterentwickelt. Dabei handelt es sich um einen flexiblen Motor, der nur wenige Millimeter dick ist. Das aus zwei ineinanderliegenden, mit Elektroden umwickelten Fasern bestehende Bauteil erzeugt genügend Kraft, um Soft-Roboter anzutreiben.

Unser FiberMotor ist der erste Gleitmotor im Faserformat. Er erzeugt genügend Kraft, um Geräte für Soft-Robotik-Anwendungen anzutreiben, und ist dabei leise, flexibel und bidirektional.

Herbert Shea, Leiter des Soft Transducers Lab

Der fadenförmige Motor wandelt elektrische Energie direkt in Bewegung um. FiberMotor hat einen Durchmesser von 1 bis 3 mm und besteht aus zwei konzentrischen Hohlfasern. Um jede Faser sind dicht isolierte Kupferdrahtelektroden gewickelt, die nur geringfügig dicker sind als ein menschliches Haar. Wird an diese Elektroden eine Spannung angelegt, ziehen elektrostatische Kräfte die Fasern wiederholt zueinander ausgerichtet. Dadurch gleitet die innere Faser in der äußeren – ähnlich wie bei einem Teleskop. „Unser FiberMotor ist der erste Gleitmotor im Faserformat“, sagt Herbert Shea, Leiter des Soft Transducers Lab. „Er erzeugt genügend Kraft, um Geräte für Soft-Robotik-Anwendungen anzutreiben, und ist dabei leise, flexibel und bidirektional.“ Die Arbeit wurde in Advanced Materials veröffentlicht.

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Robuste, natürliche Bewegungen

Viele alltägliche Bewegungen wie Heben, Schieben und Ziehen beruhen auf einer linearen statt einer rotierenden Bewegung. Diese Art von Bewegung in tragbarer Robotik nachzubilden, ist seit Langem eine Herausforderung: Motoren mit ausreichender Leistung benötigen dafür oft starre Getriebe, Übertragungssysteme und andere sperrige Komponenten.Sogenannte künstliche Muskeln wurden zwar entwickelt, doch ihr Bewegungsumfang ist dadurch begrenzt, wie stark sich ihre Materialien dehnen, zusammenziehen oder biegen lassen. Im Gegensatz dazu wird der Bewegungsbereich des FiberMotors nur durch die Länge der Fasern selbst begrenzt.Da das Gerät weder Getriebe noch Übertragungssysteme enthält, lässt es sich auch von außen antreiben. Das bedeutet, dass eine entgegengesetzt wirkende Kraft es sicher bewegen kann. So passt sich der Motor menschlichen Bewegungen natürlicher an als herkömmliche Motoren. Bewegt sich die tragende Person beispielsweise unerwartet oder entgegen der Antriebsrichtung des FiberMotors, gleiten die Fasern einfach aneinander vorbei, statt sich zu blockieren.

Weiche Exosuits zur Unterstützung der Mobilität

In Labordemonstrationen konnten einzelne FiberMotors ruhende Lasten von etwa 75 Gramm tragen. Vier gebündelte Motoren erzeugten genug Kraft, um einen 46 Gramm schweren Schokoriegel anzuheben und einen seilzugbetätigten Roboterfinger zu beugen.Das Team integrierte den FiberMotor außerdem in einen Prototyp eines Kleidungsstücks, das an die Form eines Knies angepasst ist. Da die Motoren dünn und leicht sind, könnte man sie nach Vorstellung der Forschenden über ein intelligentes Textil verteilen, anstatt die Kraft in einer einzelnen starren Motoreinheit zu konzentrieren.Als nächsten Schritt wollen die Forschenden die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des FiberMotors verbessern. Dazu setzen sie noch dünnere Elektroden ein, die überwiegend aus Isoliermaterialien bestehen, und optimieren die verwendeten Werkstoffe. Langfristig soll die Kombination aus Kraft und Flexibilität tragbare Assistenzgeräte ermöglichen, darunter weiche Exosuits zur Unterstützung der Mobilität, tragbare haptische Systeme für Virtual Reality und leichte Prothesen. Der Erstautor Sylvain Schaller hat bereits das Start-up Elecsyor gegründet, um die Technologie zu vermarkten.Ein Forschungsziel ist auch die Integration von Feedbackdaten zur Position und Bewegung der tragenden Person. So könnte der Motor seine Funktion schnell an deren Absichten anpassen.