Roboterbein läuft und springt
Inspiriert von Lebewesen haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der ETH Zürich ein Roboterbein mit künstlichen Muskeln entwickelt. Seit rund 200 Jahren setze man bei der Entwicklung von Maschinen für Fabriken & Co. oder auch in jüngster Zeit bei Laufrobotern auf herkömmliche Motoren. Dabei würden Muskeln wie bei Menschen und Tieren die Mobilität und Anpassungsfähigkeit verbessern. Etwaige Ergebnisse zeigt schon das Roboterbein. Es sei “wendig”, springe “energieeffizient über unterschiedliches Terrain”, erkenne Hindernisse und kann auf sie reagieren. Dafür sorgen künstliche elektrohydraulische Muskeln. Der Bereich wird erst seit rund sechs Jahren erforscht. Elektrohydraulische Muskeln passen sich automatisch an unebenes Gelände an. Im Vergleich zu Elektromotoren sind so “schnelle Bewegungen ohne komplexe Sensoren” drin. Doktorand Toshihiko Fukushima erklärt: “Wenn eine Person nach einem Sprung in die Luft landet, muss sie nicht im Voraus überlegen, ob sie ihre Knie in einem 90-Grad- oder einem 70-Grad-Winkel beugen soll.” Das Roboterbein regelt den Winkel des Beingelenks adaptiv. Dafür ist entscheidend, ob der Untergrund hart oder weich ist.
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Wie ein Luftballon
Bei dem künstlichen Roboterbein gibt es, wie auch bei uns Menschen, einen Streck- und einen Beugemuskel. Die elektrohydraulischen Aktuatoren sind über Sehnen an einem Skelett befestigt. Die Aktuatoren sind mit Öl gefüllte Plastikbeutel – denken Sie etwa an die Beutel, mit denen sich Eiswürfel im Tiefkühler selbst herstellen lassen. Bei den Aktuatoren ist allerdings zusätzlich eine Beschichtung auf beiden Seiten des Beutels zu finden. Jeder sei bis zur Hälfte mit einer schwarzen Elektrode aus einem leitfähigen Material beschichtet. Doktorand Thomas Buchner erklärt: “Sobald wir eine Spannung an die Elektroden anlegen, ziehen sie sich durch statische Elektrizität gegenseitig an. Wenn ich einen Luftballon an meinem Kopf reibe, bleiben meine Haare aufgrund der gleichen statischen Elektrizität an dem Ballon haften.” Wird die Spannung erhöht, passiert folgendes: Die Elektroden nähern sich an, das Öl im Beutel wird auf eine Seite gelagert – der Beutel wird kürzer. Befestigt man das Ganze als ein Paar an einem Skelett, kommt es so zu den typisch paarweisen Muskelbewegungen wie bei Mensch und Tier.
Die Vorteile der Methode
“Auf dem Infrarotbild ist gut zu erkennen, dass das motorisierte Bein viel mehr Energie verbraucht, wenn es zum Beispiel eine gebeugte Position halten muss”, sagt Buchner. Im Vergleich dazu bleibe die Temperatur im elektrohydraulischen Bein gleich. Fukushima betont: “Normalerweise benötigen elektromotorisch angetriebene Roboter ein Wärmemanagement, das zusätzliche Kühlkörper oder Ventilatoren zur Ableitung der Wärme an die Luft erfordert. Unser System kommt ohne sie aus.” Anwendungsbereiche für die künstlichen elektrohydraulischen Muskeln sehen die Forschenden im Bereich der Robotik.
