Roboter Roboterhand definiert Fingerfertigkeit neu

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Eine an der EPFL entwickelte Roboterhand geht mit einem Design mit zwei Daumen und wendbarer Handfläche über die Grenzen menschlicher Fingerfertigkeit hinaus; sie kann sich vom Roboterarm abkoppeln, um mehrere Objekte zu erreichen und zu greifen.

Mit ihrem opponierbaren Daumen, mehreren Gelenken und ihrer griffigen Haut gelten menschliche Hände oft als Inbegriff der Fingerfertigkeit, und viele Roboterhände sind ihnen nachempfunden. Da sie jedoch durch den langsamen Prozess der Evolution geformt wurden, sind menschliche Hände alles andere als optimiert. Zu den größten Nachteilen zählen unsere einzelnen, asymmetrischen Daumen und die Verbindung zu Armen mit begrenzter Beweglichkeit.
„Die Grenzen der menschlichen Hand zeigen sich deutlich, wenn wir versuchen, Objekte unter Möbeln oder hinter Regalen zu erreichen oder gleichzeitig mehrere Aufgaben zu erledigen – etwa eine Flasche halten und eine Chipsdose aufheben“, sagt Aude Billard, Leiterin des Learning Algorithms and Systems Laboratory (LASA) an der School of Engineering der EPFL. „Ebenso ist es äußerst herausfordernd, Objekte zu greifen, die hinter der Hand liegen, ohne den Griff zu verlieren – das erfordert unnatürliche Handgelenksverdrehungen oder eine Änderung der Körperhaltung.“

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Ein Team um Billard, LASA‑Forscher Xiao Gao sowie Kai Junge und Josie Hughes vom Computational Robot Design and Fabrication Lab haben nun eine Roboterhand entwickelt, die diese Hürden überwindet. Das Gerät, das bis zu sechs identische Finger mit Silikonspitzen aufnehmen kann, behebt die menschliche Asymmetrie, indem jede beliebige Fingerkombination opponierende Paare für einen daumenähnlichen Pinch‑Griff bilden kann. Dank des reversiblen Designs sind „Rücken“ und „Handfläche“ der Roboterhand austauschbar.
Die Hand kann sich sogar vom Roboterarm abkoppeln und sich – spinnengleich – fortbewegen, um Objekte außerhalb der Armreichweite zu greifen und zu tragen. „Unser Gerät führt zuverlässig und nahtlos ‚Loco‑Manipulation‘ aus – stationäre Manipulation kombiniert mit autonomer Mobilität –, was aus unserer Sicht großes Potenzial für Industrie‑, Service‑ und Explorationsrobotik hat“, fasst Billard zusammen. Die Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Anwendungen für den Menschen – un darüber hinaus

Auch wenn die Roboterhand wie aus einem futuristischen Sci‑Fi‑Film wirkt, ließen sich die Forschenden von der Natur inspirieren.„Viele Organismen haben vielseitige Gliedmaßen entwickelt, die nahtlos zwischen Funktionen wie Greifen und Fortbewegung wechseln. So nutzt der Oktopus seine flexiblen Arme sowohl, um über den Meeresboden zu kriechen, als auch, um Schalen zu öffnen; bei Insekten verwenden Gottesanbeterinnen spezialisierte Gliedmaßen für Fortbewegung und Beutefang“, sagt Billard. Tatsächlich kann sich der EPFL‑Roboter fortbewegen und dabei mehrere Objekte sicher halten – unter seiner „Handfläche“, auf seinem „Rücken“ oder beides zugleich. Mit fünf Fingern kann das Gerät die meisten traditionellen menschlichen Griffe nachbilden. Mit mehr als fünf Fingern bewältigt es einhändig Aufgaben, die normalerweise zwei menschliche Hände erfordern – etwa den Deckel einer großen Flasche aufschrauben oder mit einem Schraubendreher eine Schraube in ein Holzstück eindrehen. „Es gibt keine wirkliche Grenze für die Anzahl der Objekte, die es halten kann; wenn wir mehr halten müssen, fügen wir einfach weitere Finger hinzu“, sagt Billard.

Die Forschenden sehen Einsatzmöglichkeiten ihres Designs in realen Umgebungen, die Kompaktheit, Anpassungsfähigkeit und multimodale Interaktion verlangen. Die Technologie könnte beispielsweise helfen, Objekte in beengten Räumen zu bergen oder die Reichweite herkömmlicher Industrieroboterarme zu erweitern. Und obwohl die vorgeschlagene Roboterhand selbst nicht anthropomorph ist, glauben sie, dass sie sich auch für prothetische Anwendungen anpassen ließe.„Die symmetrische, reversible Funktionalität ist besonders wertvoll in Szenarien, in denen Nutzende von Fähigkeiten profitieren könnten, die über die normale menschliche Funktion hinausgehen“, sagt Billard. „Frühere Studien mit Nutzerinnen und Nutzern zusätzlicher robotischer Finger zeigen die bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit des Gehirns, zusätzliche Gliedmaßen zu integrieren – das legt nahe, dass unsere nicht traditionelle Konfiguration sogar in spezialisierten Umgebungen dienen könnte, die erweiterte Manipulationsfähigkeiten erfordern.“