Faszination Technik Soft-Roboter manövriert mit nur zwei Antrieben in alle Richtungen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Ein bionischer Unterwasserroboter, der durch mechanische Intelligenz volle 3D-Beweglichkeit mit nur zwei Aktuatoren erreicht.

Einem Forschungsteam der North Carolina State University ist ein Durchbruch in der Entwicklung maritimer Soft-Robotik gelungen. Ihr neuester Roboter navigiert mühelos in alle drei Raumrichtungen, benötigt dafür jedoch lediglich zwei Aktuatoren. Ermöglicht wird diese enorme Einsparung an Antriebs- und Steuerungskomponenten durch das Konzept der „mechanischen Intelligenz“.Dabei wird die Komplexität der Fortbewegung nicht durch aufwendige Computerberechnungen oder Sensorik gelöst, sondern in die physische Struktur des Roboters selbst ausgelagert. Das Verhalten der Maschine wird größtenteils durch ihr Design und die physikalische Interaktion mit dem Wasser diktiert. 

Was bedeutet „Mechanische Intelligenz“ in diesem Fall?

Bei klassischen Robotiksystemen wird das Bewegungsverhalten durch Software, Sensor-Inputs und eine Vielzahl an Einzelantrieben gesteuert. „Mechanische Intelligenz“ verlagert diese Komplexität aus dem Computer direkt in die Hardware-Architektur. Das Verhalten des Systems wird primär durch sein strukturelles Design und die physikalische Interaktion mit der Umgebung (hier: dem Wasser) diktiert.Beim Haarstern-Roboter zeigt sich das konkret an seinen vier Flügeln: Sie sind elastisch und monostabil konstruiert. Das bedeutet, sie lassen sich durch die beiden zentralen Antriebe nach unten biegen, schnappen aber durch ihre Eigenspannung automatisch wieder in ihre Ausgangsposition zurück, sobald der Antrieb deaktiviert wird. Die Struktur selbst übernimmt also die Rückstellbewegung. Das reduziert den benötigten Input von Rechnern drastisch – und spart die entsprechenden Aktuatoren ein.

Normalerweise bräuchte man mindestens sechs Aktuatoren, um sich in drei Dimensionen zu bewegen – also auf und ab, vor und zurück sowie rotierend. Dass wir diesen Bewegungsspielraum mit nur zwei Aktuatoren erreichen, demonstriert eindrucksvoll, wie effizient intelligentes Design sein kann.

Jie Yin, Professor für Maschinenbau sowie Luft- und Raumfahrttechnik und korrespondierender Autor der Studie

Drei Modi für maximale Beweglichkeit

Die Hardware-Architektur des Roboters ist so simpel wie effektiv: Aus einer zentralen Scheibe, die die beiden Antriebe beherbergt, ragen vier elastische, monostabile „Flügel“ heraus. Diese lassen sich biegen, schnappen aber stets in ihre Ausgangsposition zurück. Durch unterschiedliche Ansteuerung der Antriebe ergeben sich drei Fortbewegungsarten:

• Quallen-Modus (Jellyfish Mode): Werden beide Aktuatoren synchron aktiviert und deaktiviert, schlagen alle vier Flügel. Bei schnellem Takt steigt der Roboter auf, bei deaktivierten Antrieben sinkt er, und bei langsamer Taktung schwebt er stabil auf der Stelle.
• Fisch-Modus (Fish Mode): Wird nur ein Antrieb aktiviert, flattert ein einzelner Flügel ähnlich einer Schwanzflosse. Dadurch wird der Roboter in die entgegengesetzte Richtung (vorwärts oder rückwärts) geschoben.
• Rotor-Modus: Ein schneller Wechsel zwischen den beiden Aktuatoren versetzt den Roboter in eine Rotation um die eigene Achse. So lässt er sich präzise in jede gewünschte Richtung ausrichten. Durch die Kombination dieser drei Modi ist das System in der Lage, sich völlig frei im dreidimensionalen Raum zu bewegen, so Yin.

Vom schnellen Rochen zum wendigen Haarstern

Das neue Modell baut auf Erkenntnissen der Vergangenheit auf. Zuvor hatte das Team einen Roboter entwickelt, der einem Mantarochen nachempfunden war. „Dieser war zwar sehr schnell im Wasser, besaß aber keine 3D-Manövrierfähigkeit“, resümiert Haitao Qing, Erstautor und Postdoktorand an der UC Berkeley. Ziel des aktuellen Projekts war es daher, die Beweglichkeit drastisch zu erhöhen, ohne auf komplizierte Mechanik zurückgreifen zu müssen. 
Die Vorlage lieferten marine Haarsterne, die für ihr koordiniertes, schwebendes Schwimmverhalten bekannt sind. Erste Demonstrationen belegen den praktischen Nutzen des Konzepts: Ausgestattet mit Kameras kann der Soft-Roboter Unterwasserräume erkunden oder – einzeln sowie im Schwarm – Objekte anheben.
In Zukunft planen die Ingenieure die Entwicklung einer vollständig kabellosen Version. Zudem sucht das Team aktiv nach interdisziplinären Kooperationspartnern, um das Hardware-Konzept für spezifische Unterwasseranwendungen weiterzuentwickeln.

Erste Demonstrationen belegen den praktischen Nutzen des Konzepts: Ausgestattet mit Kameras kann der Soft-Roboter Unterwasserräume erkunden oder – einzeln sowie im Schwarm – Objekte anheben.

Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Minimal-Actuation Feather Star–Inspired Soft Swimmers for Multimodal 3D Maneuverability“ im Open-Access-Fachjournal Science Advances veröffentlicht (DOI: 10.1126/sciadv.aeg9211). Die Forschung wurde unter anderem durch die National Science Foundation (NSF) sowie das Office of Naval Research gefördert. Eine entsprechende Patentanmeldung läuft.