Robotik Soft-Roboter wird mit Druckluft statt Elektronik gesteuert

Redakteur: Margit Kuther

Forscher der University of California entwickelten einen pneumatischen RAM-Chip mit mikrofluidischen Ventilen zur Steuerung von Soft-Robotern. Die pneumatischen Komponenten ersetzen die teureren, energieintensiveren elektronischen Ventile und Computer.

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Testaufbau: Ein pneumatischer Arbeitsspeicher steuert die Bewegungen eines Soft-Roboters.
Testaufbau: Ein pneumatischer Arbeitsspeicher steuert die Bewegungen eines Soft-Roboters.
(Bild: University of California)

Die Soft-Robotik nutzt biologisch inspirierte, weiche, organische Materialien, die die bisherigen starren Roboter-Bewegungsabläufe durch natürliche ersetzen sollen. Entwickler der University of California, Riverside, haben einen luftbetriebenen Computerspeicher vorgestellt, der zur Steuerung von Soft-Robotern verwendet werden kann. Die Innovation überwindet eines der größten Hindernisse für den Fortschritt der Soft-Robotik: die Diskrepanz zwischen Pneumatik und Elektronik.

Die Vorteile der pneumatischen Robotik

Pneumatische Soft-Roboter verwenden Druckluft, um weiche, gummiartige Gliedmaßen und Greifer zu bewegen und sind den traditionellen starren Robotern bei der Ausführung heikler Aufgaben überlegen. Außerdem sind sie für den Menschen sicherer. Bestehende Systeme zur Steuerung pneumatischer Soft-Roboter nutzen jedoch immer noch elektronische Ventile und Computer, um die Position der beweglichen Teile des Roboters zu halten. Diese elektronischen Teile erhöhen die Kosten, die Größe und den Energiebedarf der Soft-Roboter erheblich, was ihre Machbarkeit einschränkt.

Um die Soft-Robotik in Richtung Zukunft voranzutreiben, blickte ein Team unter der Leitung des Biotechnik-Doktoranden Shane Hoang, seines Beraters, des Biotechnik-Professors William Grover, des Informatik-Professors Philip Brisk und des Maschinenbau-Professors Konstantinos Karydis in die Vergangenheit.

Pneumatischer 8-Bit-RAM-Chip steuert Roboterbewegungen

Die pneumatische Logik ist älter als elektronische Computer und ermöglichte einst fortschrittliche Steuerungsebenen in einer Vielzahl von Produkten, von Thermostaten und anderen Komponenten von Klimaregelungssystemen bis hin zu Spielklavieren in den frühen 1900er Jahren. In der pneumatischen Logik fließt Luft, nicht Elektrizität, durch Schaltkreise oder Kanäle und Luftdruck wird verwendet, um Ein/Aus oder wahr/falsch darzustellen. In modernen Computern werden diese logischen Zustände durch 1 und 0 im Code dargestellt, um elektrische Ladungen auszulösen oder zu beenden.

Pneumatische Softroboter benötigen eine Möglichkeit, sich die Positionen ihrer beweglichen Teile zu merken und beizubehalten. Die Forscher erkannten, dass, wenn sie ein pneumatisches logisches ‚Gedächtnis‘ für einen Softroboter schaffen könnten, der elektronische Speicher, der derzeit für diesen Zweck eingesetzt wird, verzichtbar wäre.

Die Forscher stellten ihren pneumatischen RAM-Chip mit mikrofluidischen Ventilen anstelle von elektronischen Transistoren her. Die mikrofluidischen Ventile wurden ursprünglich entwickelt, um den Fluss von Flüssigkeiten auf mikrofluidischen Chips zu steuern, aber sie können auch den Fluss von Luft steuern. Die Ventile bleiben gegen eine Druckdifferenz abgedichtet, selbst wenn sie von einer Luftzufuhrleitung getrennt werden, wodurch eingeschlossene Druckdifferenzen entstehen, die als Speicher fungieren und die Zustände der Aktoren eines Roboters aufrechterhalten. Dichte Anordnungen dieser Ventile können fortschrittliche Operationen durchführen und die teure, sperrige und stromverbrauchende elektronische Hardware reduzieren, die normalerweise zur Steuerung pneumatischer Roboter verwendet wird.

Nachdem das Team die mikrofluidischen Ventile so modifiziert hatte, dass sie größere Luftdurchflussraten bewältigen konnten, entwickelte es einen pneumatischen 8-Bit-RAM-Chip, der größere und sich schneller bewegende Softroboter steuern konnte. Diesen baute das Team in ein Paar 3D-gedruckter Gummihände ein. Der pneumatische Arbeitsspeicher verwendet Luft mit atmosphärischem Druck, um einen ‚0‘- oder ‚FALSCH‘-Wert darzustellen, und Vakuum, um einen ‚1‘- oder ‚WAHR‘-Wert darzustellen. Die weichen Roboterfinger werden ausgestreckt, wenn sie an atmosphärischen Druck angeschlossen sind, und zusammengezogen, wenn sie an Vakuum angeschlossen sind. Indem sie die Kombinationen von atmosphärischem Druck und Vakuum in den Kanälen des RAM-Chips variierten, konnten die Forscher den Roboter dazu bringen, Noten, Akkorde und sogar ein ganzes Lied - „Mary Had a Little Lamb“ – auf einem Klavier zu spielen.

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