Der Robotergreifer ist sanft genug, um einen Wassertropfen aufzunehmen

Robotergreifer sind sanft genug, um Buchseiten umzublättern. (Quelle: NC State)

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Ein neues Roboter-Greifgerät bietet ein hohes Maß an Kraft, Sanftheit und Geschicklichkeit, berichten Forscher.

Der Greifer ist sanft genug, um einen Tropfen Wasser aufzunehmen, stark genug, um ein 14,1-Pfund-Gewicht aufzunehmen, geschickt genug, um ein Tuch zu falten, und präzise genug, um Mikrofilme aufzunehmen, die 20-mal dünner als ein menschliches Haar sind.

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 einzigen weichen Greifer zu entwickeln, der ultraweiche, ultradünne und schwere Objekte handhaben kann“, sagt Jie Yin, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik in North Carolina State University und korrespondierender Autor der Studie in Nature Communications. „Unser Design erreicht eine hervorragende Balance dieser Eigenschaften.“

Das Design der neuen Greifer basiert auf einer früheren Generation flexibler Robotergreifer, die auf der Kirigami-Kunst beruhten, bei der zweidimensionale Materialbahnen sowohl geschnitten als auch gefaltet werden, um dreidimensionale Formen zu bilden.

„Unsere neuen Greifer verwenden ebenfalls Kirigami, unterscheiden sich jedoch erheblich, da wir viel aus dem vorherigen Design gelernt haben“, sagt Co-Autor Yaoye Hong, ein frischgebackener Doktorand von NC State. „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.“

Das neue Design ermöglicht ein hohes Maß an Festigkeit und Sanftheit, da es die Kraft über die Struktur des Greifers verteilt.

„Die Stärke von Robotergreifern wird im Allgemeinen am Verhältnis von Nutzlast zu Gewicht gemessen“, sagt Yin. „Unsere Greifer wiegen 0,4 Gramm und können bis zu 6,4 Kilogramm 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.“

Ein weiterer Vorteil der neuen Technologie besteht darin, dass ihre attraktiven Eigenschaften in erster Linie auf ihrem strukturellen Design beruhen und nicht auf den Materialien, aus denen die Greifer hergestellt werden.

„Konkret bedeutet das, dass man die Greifer aus biologisch abbaubaren Materialien, etwa robusten Pflanzenblättern, herstellen könnte“, sagt Hong. „Das könnte besonders bei Anwendungen nützlich sein, bei denen man die Greifer nur für einen begrenzten Zeitraum nutzen möchte, etwa beim Umgang mit Lebensmitteln oder biomedizinischen Materialien. Wir haben beispielsweise gezeigt, dass die Greifer zur Handhabung scharfer medizinischer Abfälle wie Nadeln eingesetzt werden können.“

Die Forscher integrierten die Greifvorrichtung auch in eine myoelektrische Handprothese, das heißt, die Prothese wird über Muskelaktivität gesteuert.

„Dieser Greifer bot eine verbesserte Funktion für Aufgaben, die mit vorhandenen Prothesen nur schwer zu bewältigen sind, wie zum Beispiel das Schließen bestimmter Arten von Reißverschlüssen, das Aufheben einer Münze usw.“, sagt Co-Autorin Helen Huang, Professorin in der gemeinsamen Abteilung für biomedizinische Technik an der North Carolina State und der University of North Carolina in Chapel Hill.

„Der neue Greifer kann nicht alle Funktionen bestehender Handprothesen ersetzen, aber er könnte diese anderen Funktionen ergänzen“, sagt Huang. „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.“

In Proof-of-Concept-Tests zeigten die Forscher, 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.“

Die National Science Foundation unterstützte die Arbeit.

Quelle: NC State

Ursprüngliche Studie DOI: 10.1038/s41467-023-39741-6

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