Ein sanftes

Andrew Corselli

Forscher der North Carolina State University haben ein Roboter-Greifgerät entwickelt, das sanft genug ist, um einen Wassertropfen aufzunehmen, stark genug, um ein Gewicht von 14,1 Pfund aufzunehmen, geschickt genug, um ein Tuch zu falten, und präzise genug, um Mikrofilme aufzunehmen sind 20-mal dünner als ein menschliches Haar.

Zusätzlich zu möglichen Fertigungsanwendungen integrierten die Forscher das Gerät auch mit einer Technologie, die es ermöglicht, den Greifer durch die von den Muskeln im Unterarm erzeugten elektrischen Signale zu steuern, was sein Potenzial für den Einsatz bei Roboterprothesen demonstriert.

„Aufgrund der Kompromisse zwischen Stärke, Präzision und Sanftheit ist es schwierig, einen einzelnen weichen Greifer zu entwickeln, der ultraweiche, ultradünne und schwere Objekte handhaben kann“, sagte der korrespondierende Autor Jie Yin. „Unser Design erreicht eine hervorragende Balance dieser Eigenschaften.“

Das Design der neuen Greifer basiert auf einer früheren Generation flexibler Robotergreifer, die sich auf die Kunst des Kirigami stützten – ähnlich wie Origami, bei dem jedoch zweidimensionale Materialbahnen sowohl geschnitten als auch gefaltet wurden, um dreidimensionale Formen zu bilden.

„Unsere neuen Greifer verwenden ebenfalls Kirigami, unterscheiden sich jedoch erheblich, da wir viel aus dem vorherigen Design gelernt haben“, sagte Co-Autor Yaoye Hong. „Wir konnten die grundlegende Struktur selbst sowie die Flugbahn der Greifer verbessern – also den Weg, auf dem sich die Greifer einem Objekt nähern, wenn sie es greifen.“

„Die Stärke von Robotergreifern wird im Allgemeinen am Verhältnis von Nutzlast zu Gewicht gemessen“, sagte Yin. „Unsere Greifer wiegen 0,4 Gramm und können bis zu 14,1 Pfund heben. Das entspricht einem Verhältnis von Nutzlast zu Gewicht von etwa 16.000. Das ist 2,5-mal höher als der bisherige Rekord für das Nutzlast-Gewichts-Verhältnis, der bei 6.400 lag. In Kombination mit den Eigenschaften Sanftheit und Präzision ermöglicht die Stärke der Greifer ein breites Anwendungsspektrum.“

Die Forscher integrierten das Greifgerät auch in eine myoelektrische Handprothese. „Dieser Greifer bot eine verbesserte Funktion für Aufgaben, die mit vorhandenen Prothesen nur schwer zu bewältigen sind, wie zum Beispiel das Öffnen bestimmter Arten von Reißverschlüssen, das Aufheben einer Münze usw.“, sagte Co-Autorin Helen Huang.

„Der neue Greifer kann nicht alle Funktionen bestehender Handprothesen ersetzen, aber er könnte zur Ergänzung dieser anderen Funktionen verwendet werden“, fügte Huang hinzu. „Und einer der Vorteile der Kirigami-Greifer besteht darin, dass man die vorhandenen Motoren, die in der Roboterprothetik verwendet werden, nicht ersetzen oder erweitern müsste. Beim Einsatz der Greifer könnte man einfach den vorhandenen Motor nutzen.“

Proof-of-Concept-Tests zeigten, dass die Kirigami-Greifer in Verbindung mit der myoelektrischen Prothese verwendet werden können, um die Seiten eines Buches umzublättern und Weintrauben von einem Weinstock zu pflücken.

„Wir glauben, dass das Greiferdesign potenzielle Anwendungen in Bereichen hat, die von der Roboterprothetik und der Lebensmittelverarbeitung bis hin zur Pharma- und Elektronikfertigung reichen“, sagt Yin. „Wir freuen uns darauf, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um Wege zu finden, die Technologie nutzbar zu machen.“

Yin nahm an einem exklusiven Tech Briefs-Interview teil, das im Hinblick auf Länge und Klarheit redigiert wurde. Lesen Sie weiter unten.

Technische Briefs: Was war der Auslöser für Ihre Arbeit?

Yin : Letztes Jahr haben wir einen Artikel über Kirigami veröffentlicht. In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass dieser Greifer als Greifer verwendet werden kann, und wir haben auch gezeigt, dass er vielleicht 500 Gramm heben kann. Das ist nur für den manuellen Gebrauch gedacht – oder um sich mit der Hand zu strecken und alle Demonstrationen durchzuführen – jetzt wollen wir darüber nachdenken, etwas Praktischeres zu machen, wir wollen die praktischen Anwendungen erweitern. Zum Beispiel, wie wir die Roboterarme und sogar die Prothese – die Handprothese – integrieren können.

Die erste Frage ist, wie wir integrieren können, und die zweite, eigentlich grundlegendere, ist, wie wir unsere Designs verbessern können. Also haben wir uns ein neues Design ausgedacht, das von der Gurkenranke inspiriert wurde, denn sie ist gebogen und die Spitze ist gewellt. Wir verwenden eine X-Form, um das Band zu gestalten.

Wenn wir das dehnen, finden wir die Flugbahn, weshalb sie ultrafein und auch ultrapräzise ist. Damit können wir Bleche mit einer Dicke von vier Mikrometern aufnehmen. Menschliches Haar ist 80 Mikrometer groß.

Unsere Motivation ist, dass wir es praktischer und gleichzeitig stärker, präziser und sanfter machen wollen. Mit unserem Greifer können wir all das in einem einzigen Design bewältigen. Unsere Designphilosophie ist eine für alle: Ein Greifer kann viele verschiedene Dinge tun.

Technische Briefs: Was war für Sie die größte technische Herausforderung bei der Entwicklung dieses Greifers?

Yin : Ich denke, die größte Herausforderung besteht darin – und vielleicht habe ich es nur ein wenig erwähnt – wie man den Kompromiss zwischen Nachgiebigkeit, Stärke, Feinheit und solchen Dingen überwinden kann. Die meisten Software-Greifer sind spezialisiert. Sie können beispielsweise einen Greifer sehr gut mit einem sanften Griff konstruieren – dem sogenannten zerstörungsfreien Greifen oder nicht-invasiven Greifen.

Sie können aber auch andere Greifer für das präzise Greifen sehr kleiner, sogar mikroskopisch kleiner Objekte konstruieren. Und Sie können auch sehr starke Greifer konstruieren, die das Tausendfache ihres Gewichts heben können. Um all dies zu erreichen, benötigen Sie unterschiedliche Greifer. Die Herausforderung hier besteht also darin, wie man mit nur einem Greifer alle Aufgaben erledigen kann – das ist eine ziemliche Herausforderung.

Technische Briefs : Sie werden mit den Worten zitiert: „Wir glauben, dass der Greifer potenzielle Anwendungen und Einsatzgebiete hat, die von Roboterprothetik und Lebensmittelverarbeitung bis hin zu Pharmazeutika und Elektronik reichen.“ „Wir freuen uns darauf, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um Wege zu finden, diese Technologie nutzbar zu machen.“ Wie läuft das ab? Gibt es Updates, die Sie teilen können?

Yin : Wir melden die Greifer jetzt zum Patent an und werden die Konstruktionen weiter verbessern. Für die Prothesenhand sind die täglichen Aufgaben eine ziemliche Herausforderung für die aktuellen – sogar die kommerziellen – Prothesenhände, insbesondere der Griff. Da es sich bei diesem Greifer um eine Ergänzung zur Umsetzung der aktuellen Greifer handelt, möchten wir sagen. Dieser Greifer kann einfach in bestehende Roboterarme integriert werden, es ist lediglich eine Dehnung erforderlich. Wenn Sie unseren Greifer in den vorhandenen Arm integrieren, benötigen Sie nicht die tatsächliche Leistung. Sie benötigen keinen zusätzlichen Sensor. Es könnte sehr gut funktionieren.

Technische Briefs : Was sind Ihre nächsten Schritte? Irgendwelche weiteren Zukunftspläne, Forschungen, Arbeiten am Horizont?

Der dynamische Greifer ahmt den verstellbaren Griff der menschlichen Hand nach

Bekommen Sie Greifer in den Griff

Yin : Das ist ein langer Weg für uns, denn wenn man an Greifer denkt, ist alles, was wir tun, nur das Aufnehmen von Dingen an Ort und Stelle, aber der Greifer sollte leistungsfähiger sein. Zum Beispiel möchten wir uns irgendwann einer menschlichen Hand nähern, nicht nur, um etwas zu greifen, sondern um etwas Kraft auszuüben. Wenn Sie beispielsweise eine Tür öffnen, greift Ihre Hand zunächst nach den Griffen, übt dann ein Drehmoment aus – eine Bewegung – und drückt dann. Dies sind drei Prozesse; Im Moment können wir nur das erste tun. Das ist definitiv ein langer Weg. Das ist eine Einschränkung, die wir beheben möchten.

Der zweite Aspekt ist die Art und Weise, wie man etwas erfasst – man nennt es Einkapseln. Wir wollen das Greifen stabilisieren und dann in der Lage sein, etwas auszuwählen und zu platzieren. Das sind zwei Einschränkungen dieser Arbeit.

Technische Briefs: Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, das wir nicht angesprochen haben?

Yin : Das andere, was ich erwähnen wollte, ist seine Anwendung in der Landwirtschaft zum Obstpflücken. Dies könnte sehr gut für Blaubeeren oder andere empfindliche Früchte sein. Unser Greifer kann damit sehr gut umgehen; es kann sehr sanft, aber auch sehr stark sein.