Robotergreifer bieten eine beispiellose Kombination aus Stärke und Feinheit

Forscher der North Carolina State University haben ein Roboter-Greifgerät entwickelt, das sanft genug ist, um einen Wassertropfen aufzunehmen, stark genug, um ein 6,4 Kilogramm schweres Gewicht aufzunehmen, geschickt genug, um ein Tuch zu falten, und präzise genug, um es aufzuheben Mikrofilme bilden, die 20-mal dünner sind 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.

„Es ist schwierig, einen einzigen weichen Greifer zu entwickeln, der ultraweiche, ultradünne und schwere Objekte handhaben kann, da zwischen Stärke, Präzision und Sanftheit Kompromisse eingegangen werden müssen“, sagt Jie Yin, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Mitarbeiter Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State. „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 Yaoye Hong, Co-Autor der Arbeit und kürzlich promovierter Doktorand. Absolvent der NC State. „Wir konnten die grundlegende Struktur selbst verbessern, aber auch die Flugbahn der Greifer – 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 Helen Huang, Co-Autorin der Arbeit und Jackson Family Distinguished Professor am Joint Department of Biomedical Engineering am NC 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.“

Der Artikel „Winkelprogrammierte rankenartige Trajektorien ermöglichen einen multifunktionalen Greifer mit Ultrafeinheit, Ultrastärke und Ultrapräzision“ wurde im Open Access in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Das Papier wurde von Yao Zhao und Yanbin Li, Postdoktoranden an der NC State, gemeinsam verfasst. Joseph Berman, ein Ph.D. Student an der NC State; und Yinding Chi, ein ehemaliger Ph.D. Student an der NC State.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung der National Science Foundation im Rahmen der Zuschüsse 2005374 und 2221479 durchgeführt.

-Schiffsmann-

Hinweis für die Redaktion: Die Zusammenfassung der Studie folgt.

„Winkelprogrammierte rankenartige Flugbahnen ermöglichen einen multifunktionalen Greifer mit Ultrafeinheit, Ultrafestigkeit und Ultrapräzision“

Autoren: Yaoye Hong, Yao Zhao, Joseph Berman, Yinding Chi, Yanbin Li und Jie Yin, North Carolina State University; He (Helen) Huang, North Carolina State University und University of North Carolina at Chapel Hill

Veröffentlicht: 2. August 2023, Nature Communications

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39741-6

Abstrakt : Die Erzielung mehrerer Funktionen in einem einzigen weichen Greifer für die Handhabung ultraweicher, ultradünner und ultraschwerer Objekte ist aufgrund des Kompromisses zwischen Nachgiebigkeit, Festigkeit und Präzision eine Herausforderung. Hier berichten wir, indem wir Experimente, Theorie und Simulation kombinieren, über die Verwendung winkelprogrammierter rankenartiger Greifbahnen für einen ultrasanften, aber dennoch ultrastarken und ultrapräzisen Greifer. Der einzelne Greifer kann zerbrechliche Flüssigkeiten mit minimalem Kontaktdruck (0,05 kPa) sanft greifen, Objekte um das 16.000-fache seines Eigengewichts anheben und ultradünne, flexible Objekte wie 4 µm dicke Laken und Mikrofasern mit 2 µm Durchmesser auf der Fläche präzise greifen Oberflächen, alle mit einer hohen Erfolgsquote. Sein skalierbares und materialunabhängiges Design ermöglicht biologisch abbaubare, nichtinvasive Greifer aus natürlichen Blättern. Explizit kontrollierte Flugbahnen erleichtern die Integration in Roboterarme und Prothesen für anspruchsvolle Aufgaben, darunter das Pflücken von Weintrauben, das Öffnen von Reißverschlüssen, das Falten von Kleidung und das Umblättern von Seiten. Diese Arbeit zeigt weiche Greifer, die in extremen Szenarien hervorragende Leistungen erbringen und potenzielle Anwendungen in der Landwirtschaft, Lebensmittelverarbeitung, Prothese, Biomedizin, minimalinvasiven Operationen und Tiefseeforschung haben.