Robotik Biohybride Roboter verwandeln Lebensmittelabfälle in funktionsfähige Maschinen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie EPFL-Forschende ausrangierte Exoskelette von Krebstieren in robotische Systeme integrieren.

Obwohl viele Robotik-Ingenieure heute die Natur als Inspirationsquelle nutzen, werden selbst bioinspirierte Roboter meist aus nichtbiologischen Materialien wie Metall, Kunststoff und Verbundwerkstoffen gefertigt. Ein neuer experimenteller Robotik-Manipulator aus dem Computational Robot Design and Fabrication Lab (CREATE Lab) an der School of Engineering der EPFL stellt diesen Trend jedoch auf den Kopf: Sein zentrales Merkmal ist ein Paar Exoskelette aus den Hinterleiben von Langustinen.

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So ungewöhnlich es auch aussehen mag, erklärt Create‑Lab‑Leiterin Josie Hughes, dass die Kombination biologischer Elemente mit synthetischen Komponenten großes Potenzial birgt – nicht nur zur Weiterentwicklung der Robotik, sondern auch zur Unterstützung nachhaltiger Technologiesysteme.

„Exoskelette kombinieren mineralisierte Schalen mit Gelenkmembranen und bieten damit ein Gleichgewicht aus Steifigkeit und Flexibilität, das es ihren Segmenten erlaubt, sich unabhängig zu bewegen. Diese Eigenschaften ermöglichen Krebstieren schnelle Bewegungen mit hohem Drehmoment im Wasser, können aber auch in der Robotik sehr nützlich sein. Und indem wir Lebensmittelabfälle wiederverwerten, schlagen wir einen nachhaltigen, zirkulären Designprozess vor, in dem Materialien recycelt und für neue Aufgaben angepasst werden können.“

In einer in Advanced Science veröffentlichten Arbeit demonstrieren Hughes und ihr Team drei robotische Anwendungen, indem sie Exoskelette aus Langustinen‑Hinterleiben mit synthetischen Komponenten verstärken und erweitern: einen Manipulator, der Objekte bis zu 500 g handhaben kann, Greifer, die sich biegen und verschiedene Gegenstände greifen können, sowie einen Schwimmroboter.

Entwerfen, betreiben, recyceln, wiederholen

Für ihre Studie brachte das Create Lab die strukturelle Robustheit und Flexibilität der Langustinen‑Exoskelette mit der präzisen Steuerbarkeit und Langlebigkeit synthetischer Komponenten zusammen. Hierfür wurde ein Elastomer in das Exoskelett eingebettet, um jedes seiner Segmente anzusteuern, und es anschließend auf einer motorisierten Basis montiert wurde, um seine Steifigkeitsantwort (Streckung und Beugung) zu modulieren. Abschließend überzog das Team das Exoskelett mit einer Silikonbeschichtung, um es zu verstärken und seine Lebensdauer zu verlängern.

Auf der motorisierten Basis montiert kann das Gerät ein Objekt mit einem Gewicht von bis zu 500 g in eine Zielzone bewegen. Als Greiferpaar montiert können zwei Exoskelette erfolgreich eine Vielzahl von Objekten unterschiedlicher Größe und Form greifen – von einem Textmarker bis zu einer Tomate. Das robotische System kann sogar einen Schwimmroboter mit zwei schlagenden exoskelettalen „Flossen“ mit Geschwindigkeiten von bis zu 11 Zentimetern pro Sekunde antreiben.

Nach dem Einsatz können das Exoskelett und seine robotische Basis getrennt werden, und die meisten synthetischen Komponenten lassen sich wiederverwenden. „Nach unserem Kenntnisstand sind wir die Ersten, die einen Machbarkeitsnachweis dafür vorlegen, Lebensmittelabfälle in ein robotisches System zu integrieren, das nachhaltiges Design mit Wiederverwendung und Recycling verbindet“, sagt Create‑Lab‑Forscherin und Erstautorin Sareum Kim.

Eine Einschränkung des Ansatzes liegt in der natürlichen Variation biologischer Strukturen; so führt etwa die einzigartige Form jedes Langustinen‑Schwanzes dazu, dass der zweifingrige Greifer auf jeder Seite leicht unterschiedlich biegt. Laut den Forschenden wird diese Herausforderung die Entwicklung fortgeschrittenerer synthetischer Erweiterungsmechanismen wie abstimmbarer Regler erfordern. Mit solchen Verbesserungen sieht das Team Potenzial für künftige Systeme, die bioabgeleitete Strukturelemente integrieren – etwa in biomedizinischen Implantaten oder Plattformen zur Überwachung von Biosystemen.

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