Emmy Noether Nachwuchsfor­schungsgruppe MEiTNER

Die Vision von nachgiebigen, bioinspirierten Robotern

Herkömmliche Roboter bestehen in der Regel aus schweren und starren Komponenten wie Motoren, Getrieben und Gestängen, die aus hochdichten Materialien gefertigt sind. Obwohl sie komplexe Bewegungen und Prozesse ausführen können, sind sie in der Regel nicht in der Lage, Bewegungen auszuführen, die denen biologischer Vorbilder ähneln. Völlig weiche Roboter mit tierähnlichem Verhalten werden völlig neue Perspektiven und Anwendungen eröffnen. Im Projekt MEiTNER werden multifunktionale dielektrische Elastomere (DEs), sogenannte künstliche Muskeln, untersucht. Ziel ist es, diese dielektrischen Elastomere mit inhärenten Signalverarbeitungsfähigkeiten in Form einer dielektrischen Elastomerelektronik auszustatten, die nur aus Polymermaterialien und Kohlenstoff besteht. Dies wird eine völlig neue Klasse weicher Elektronik ermöglichen, mit der autonome, völlig weiche Roboter gesteuert werden können, ohne dass herkömmliche, starre, auf Silizium basierende Signalverarbeitung erforderlich sind.

Neuartige weiche DE-Elektronik wird auf dielektrischen Elastomermembranen unter Verwendung nachgiebiger Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität und Perkolation integriert. Alle diese Komponenten werden nur aus Mischungen von Polymeren und leitfähigen Füllstoffen bestehen. Um die Funktionalität der entwickelten Prozesse und Teilkomponenten zu validieren, werden Untersuchungen zur Weiterentwicklung der weichen biomimetischen Robotik im Allgemeinen durchgeführt, um das Potenzial multifunktionaler DEs zu demonstrieren. Diese Roboterstrukturen werden auf nachgiebigen mechanischen Strukturen beruhen, in deren gesamte Struktur verteilte dielektrische Sensor-, Aktor- und Signalverarbeitungsknoten eingebettet sind.

Wir werden biomimetische Ansätze für verschiedene Aufgaben wie Fortbewegung, Flügelschlag oder Unterwasserantrieb und damit verbundene Schnittstellen zur Umwelt wie Richtungsreibung oder elektrostatische Strukturen untersuchen. In einer zweiten Forschungsrichtung werden wir die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine in der kollaborativen Robotik sowie in industriellen und medizinischen Anwendungen untersuchen. Die in FAB-1 entwickelten Technologien und DE-Elektronik- und Software-Design-Tools sollen genutzt werden, um die Aussichten für weiche, multifunktionale Strukturen zu untersuchen, die als nachgiebige Schnittstellen für Maschinenbediener, medizinische Produkte und industrielle Anwendungen wie weiche Robotergreifer dienen sollen.

Forschungsfelder

Delektrische Elastomere

In der Reihe der nachgiebiger Funktionsmaterialien gibt es eines mit mechanischen

Eigenschaften die den biologischen Muskeln ähneln: dielektrische Elastomeraktoren (DEAs), eine Unterart nachgiebiger Polymeraktoren, sogenannte elektroaktive Polymere (EAPs), die für ihre Anwendungen in der Robotik bekannt sind. Ihr Mechanismus ist elektromechanisch und bietet die Möglichkeit einer schnellen und vollständig integrierten Steuerung über DE-Elektronic. In seiner einfachsten Ausführungsform ist ein DEA ein flexibler Kondensator, der aus einer dünnen, nachgiebigen, vorgedehnten dielektrischen Membran wie Acrylband oder Silikonkautschuk besteht. 

Eine Membran von typischerweise 50 μm Dicke wird auf beiden Seiten von einer dehnbaren Elektrode beschichtet. Das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden erzeugt einen elektrostatischen Maxwell-Druck MAXW, der zu einer Ausdehnung in der Ebene und einer Kontraktion in der Breite führt. Mit ihren außergewöhnlichen Eigenschaften, zu denen eine maximale flächige Aktuation von über 1692% gehört, können DEA so hergestellt werden, dass sie die Leistung natürlicher Muskeln erreichen und sogar übertreffen, was ihnen den Beinamen künstliche Muskeln einbrachte.

Die dielektrischen Elastomere (DE) werden nicht nur als Aktuatoren mit großen Stellwegen

eingesetzt. Sie können als Sensoren für große Verformungen und zur Umwandlung mechanischer Arbeit in elektrische Energie dienen (Energy Harvesting). Einige dieser Funktionen können in einer einzigen Baugruppe kombiniert werden. Eine Möglichkeit, eine lokale, selbststeuernde DEA-Reglung zu erreichen, besteht darin, die Dehnung direkt als Mittel zur elektronischen Ladungsumschaltung zu nutzen. Unsere Partner am Biomimetics Lab der Universität Auckland haben ein geeignetes Hochspannungsschaltmaterial identifiziert, das aus Kohlenstoffpartikeln in Silikonfett besteht und auf die Membranoberfläche oder neben einem DEA aufgedruckt werden kann: den dielektrischen Elastomerschalter (DES). Durch eine spannungsinduzierte Dehnung eines benachbarten DEA ändert sich die Leitfähigkeit eines DES um mehrere Größenordnungen. DEAs und DESs können als dehnungsabhängige elektrische Signalumwandler kombiniert werden. Diese digitalen Einheiten können darüber hinaus theoretisch zu jeder gewünschten logischen Schaltung zusammengesetzt

, wobei entweder eine Kombination der sechs grundlegenden BOOL'schen-Gatter oder eine Reihe von NAND-Gattern verwendet wird. In unserer Gruppe entwickeln wir elektrische Schaltungen, um die Soft-Robotik mit DE-Elektronik zu steuern und zu betreiben. Das Video links zeigt einen Multiplexer aus DEs, bestehend aus DEAs und DESs. Wir entwickeln auch Oszillatoren, die die Grundlage für eine periodische Ladungssteuerung bilden und die Rolle eines biologischen neuronalen Netzwerks (Central Pattern Generator, CPG) nachahmen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die multifunktionale dielektrische Elastomertechnologie eine der vielversprechendsten Technologien zur Entwicklung eines Werkzeugkastens für vollständig nachgiebige Roboterstrukturen darstellt, die nur eine Gleichspannung benötigen, um ihre nachgiebigen Signalverarbeitungseinheiten zu betreiben, die wiederum nachgiebige künstlcieh Muskaln steuern und antreben können.

Flexible Robotik

Dielektrische Elastomere sind gut geeignet, um in nachgiebige Roboterstrukturen integriert zu werden. Flexible DE-Muskeln und Aktuatoren können nachgiebige Roboterstrukturen antreiben, taktile Häute können ihnen Reflexe verleihen und digitale DE-Elektronik kann verwendet werden, um Signalverarbeitung direkt in solchen bio-inspirierten Roboterstrukturen durchzuführen. Die MEiTNER-Forschungsgruppe entwickelt nachgiebige Roboterstrukturen, in die neuartige DE-Elektronik eingebettet ist, um ihnen Reflexe, automatische Signalverarbeitungsfähigkeiten und bioinspirierte Bewgungen zu verleihen. Wir kombinieren Pneumatik, DE-Elektronik und künstliche Muskeln in unseren Demonstatoren.

Taktile Oberflächen

Für eine enge Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern entwickeln wir weiche Sensoren, die Berührungen und Druck wahrnehmen können. Diese Sensoren basieren auf DEs und sind vollständig aus Silikon und Kohlenstoff gefertigt. Unsere Vision ist eine Zukunft, in der wir Menschen mit Robotern so interagieren können, wie wir es mit anderen Menschen tun. Dazu drucken wir piezoresistive und kapazitive Sensoren und Sensorarrays, die völlig flexibel und dehnbar sind und direkt in oder auf weichen Roboterstrukturen angebracht werden können.

Biomimetik

Wir erforschen, wie DE-Elektronik die nachgiebigen Roboterstrukturen der Zukunft antreiben kann. Dazu untersuchen wir biologische Rollenmodelle und implementieren bioinspirierte Designs und Steuerungsparadigmen in unsere bioinspirierten Roboterstrukturen. Dabei arbeiten wir mit Forschern des Biomimetics Lab an der University of Auckland in Neuseeland und einem universitären Spinout-Unternehmen PowerON zusammen.

Gruppenmitglieder

Gruppenleiter

Doktoranden

Studenten

• Alexander Gubsch

Alumni

• Dipl.-Ing. Rafał Andrejczuk
• Dipl.-Ing. Junaho Ni