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Maschinen mit Gefühl und Wundheilung Softies aus Spezialkunststoff: Selbstheilende Roboter

| Autor/ Redakteur: Remigius Nideröst* / Christian Lüttmann

Roboter müssen nicht aus Hartplastik oder kaltem Metall sein. Besser haben sie eine weiche und flexible Haut, sodass Menschen nicht so leicht verletzt werden, wenn sie mit dem Roboter interagieren. In einem Internationalen Projekt arbeiten Wissenschaftler nun an solchen Robotern, deren künstliche Gummihaut nicht nur weich und flexibel ist, sondern sich auch noch selbst heilen kann und Verletzungen selbstständig erkennen soll.

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Eine Roboterhand aus speziellem Kunststoff, der sich bei Raumtemperatur selber heilen kann
Eine Roboterhand aus speziellem Kunststoff, der sich bei Raumtemperatur selber heilen kann
(Bild: Vrije Universiteit Brussel)

Zürich/Schweiz – Roboter spielen eine immer größere Rolle im täglichen Leben und bei der Arbeit. Schon heute sind sie nicht mehr nur in Fabriken und Labors zu finden, sondern unterstützen uns auch im Alltag: Selbstfahrende Rasenmäher oder autonome Staubsaugerroboter helfen im Haushalt und verringern die Arbeitsbelastung.

Moderne Roboter werden „Softies“ sein

In Zukunft wird immer mehr Robotik in unsere Häuser einziehen, um das Leben komfortabler und sicherer zu machen. Roboter arbeiten dann Seite an Seite mit Menschen, daher es ist wichtig, dass dieser gefahrlos mit den technischen Helfern interagieren kann.

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Um mit zerbrechlichen Objekten geschickt umgehen zu können und die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten, werden viele Roboter der nächsten Generation aus flexiblen Materialien bestehen. Dadurch werden sie Menschen weniger verletzen. Allerdings sind diese „weichen“ Roboter besonders anfällig für Risse durch scharfe Gegenstände. Die erforderlichen Reparaturen wären oft langwierig und daher sehr kostspielig.

Sanfte Roboter aus selbstheilendem Material

Wissenschaftler arbeiten daher im Projekt Shero (Self-healing soft robotics) an Technologien, mit denen solche Roboter Schäden eigenständig „heilen“ können. Damit dies möglichst ohne menschliches Zutun geschehen kann, suchen die Forscher nach selbstheilenden Materialien wie etwa flexiblen Kunststoffen, aus denen die Roboter gebaut werden. Eingebettetes Funktionsmaterial könnte dafür sorgen, den Selbstheilungsprozess zu erkennen und zu aktivieren.

Das ehrgeizige Ziel des europäischen Projekts ist es, einen sanften Roboter aus selbstheilendem Material zu schaffen, der Schäden erkennt, die notwendigen Schritte einleitet und den Defekt – wenigstens vorübergehend – selbst behebt. So kann er laufende Arbeitsprozesse abschließen, um dann während Servicearbeiten vollständig repariert zu werden.

Ein zerschnittenes Polymerstück klebt sich wie von selbst wieder zusammen (Video von der Projekthomepage www.sherofet.eu

Kunststoff schließt Schnitte binnen Sekunden

Wenn der Mensch sich beim Kochen in der Küche schneidet, ist das unangenehm, aber meist kein großes Problem. Schon kurze Zeit nach der Verletzung ist die Blutung gestillt und die Haut beginnt ihre Reparaturarbeiten. Nach ein paar Tagen ist die Verletzung verheilt und von dem Schnitt ist nichts mehr zu sehen.

Doch wie sieht es bei einem Roboter aus, dessen künstliche Haut aus einem Polymer gemacht ist? Muss er nach jeder Verletzung in die Werkstatt? Nicht, wenn es nach den Forschern im Projekt Shero geht. Sie haben bereits Prototypen von Roboterhänden mit „Gummifingern“ entwickelt, die die Selbstheilungskräfte menschlicher Haut nachbilden – und sogar um einiges schneller Wunden wieder verschließen. Die speziellen Kunststoffe verkleben sich binnen Sekunden wieder zu einer geschlossenen Kunsthaut.

Weiche Roboterhände aus Kunststoff und Luft, die sich bei Verletzungen selbst heilen. Das Video von www.sherofet.eu zeigt, was bereits möglich ist:

Sichere und nachhaltige Roboter entwickeln

Projektleiter Bram Vanderborght von der Universität Brüssel erklärt: „Wir freuen uns sehr, an der nächsten Robotergeneration zu arbeiten. In den letzten Jahren haben wir bereits erste Schritte unternommen, um selbstheilende Materialien für Roboter herzustellen. Mit dieser Forschung wollen wir fortfahren und vor allem sicherstellen, dass Roboter, die in unserem Arbeitsumfeld eingesetzt werden, sicherer, aber auch nachhaltiger sind. Aufgrund des Selbstreparaturmechanismus der weichen Roboter könnten komplexe, kostspielige Reparaturen der Vergangenheit angehören.“

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Beteiligte am Projekt Shero

Das Projekt Shero wird von der Universität Brüssel (VUB) mit einem Team von Wissenschaftlern des Roboterforschungszentrums Brubotics und des Polymerforschungslabors FYSC geleitet. Ebenso beteiligt sind die britische University of Cambridge, die École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la ville de Paris (ESPCI-Paris), die schweizerische Empa und der niederländische Polymerhersteller Supra Polix. Die EU fördert das Vorhaben über die nächsten drei Jahre mit drei Millionen Euro.

Thomas George Thuruthel, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Sensorik und Selbstheilung für weiche Robotik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Cambridge, ergänzt: „Wir werden maschinelles Lernen einsetzen, um an der Modellierung und Integration dieser selbstheilenden Materialien, Heilen von Aktoren und Sensoren, Schadenserkennung, Lokalisierung und kontrollierte Heilung zu arbeiten. Das Ziel ist es, die selbstheilenden Sensoren und Aktoren in Demonstrationsplattformen zu integrieren, um bestimmte Aufgaben ausführen zu können.“

Mit seinen Spezialpolymeren ist das Unternehmen Supra Polix an dem Projekt Shero beteiligt:

Die Empa in der Schweiz wiederum wird sich auf die Entwicklung von neuen flexiblen Sensoren und Aktoren konzentrieren, die in die selbstheilenden Polymere eingebettet werden können. Hierzu sagt Empa-Forscher Frank Clemens: „In einem ersten Schritt werden wir unsere elastischen, piezoresistiven Sensorfasern in selbstheilende Polymere einbetten, um die Dehnung kontinuierlich zu erfassen und den Bereich zu erkennen, in dem die Selbstheilung aktiviert werden muss. In einem späteren Schritt werden je nach Endanwendung andere Arten von Sensoren und Aktoren integriert.“

Gemeinsam wollen die Projektpartner in den kommenden Jahren mit ihren weichen selbstheilenden Robotern die Maschine-Mensch-Interaktion auf die nächste Stufe heben.

* R. Nideröst, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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