Roboterbein mit künstlichen Muskeln

Forscher des Max-Planck-Instituts für intelligente Systeme und der ETH Zürich haben ein Roboterbein mit künstlichen Muskeln entwickelt.

Energieeffizienter als Elektromotoren ist das Roboterbein mit seinen künstlichen elektrohydraulischen Muskeln, das Forscher des Max-Planck-Instituts für intelligente Systeme, MPI IS, und der ETH Zürich nun gemeinsam entwickelt haben. Damit seien hohe Sprünge, schnelle Bewegungen und automatische Anpassungen an unebenes Terrain möglich. Der Clou: Das Bein kommt ganz ohne komplexe Sensoren aus.

Wie bei Mensch und Tier sorgen auch beim Roboterbein ein Streck- und ein Beugemuskel dafür, dass Bewegungen in beide Richtungen möglich sind. Diese elektrohydraulischen Aktuatoren, die die Forscher HASELs nennen, sind über Sehnen am Skelett befestigt.

Die Aktuatoren sind mit Öl gefüllte Kunststoffbeutel, ähnlich den Plastikbeuteln, mit denen man Eiswürfel herstellen kann. Etwa die Hälfte des Beutels ist beidseitig mit einer schwarzen Elektrode, also einem leitfähigen Material, beschichtet. „Sobald wir Spannung an die Elektroden anlegen, ziehen sie sich aufgrund statischer Elektrizität gegenseitig an. Wenn ich einen Luftballon an meinem Kopf reibe, bleiben meine Haare aufgrund der gleichen statischen Elektrizität am Ballon haften”, erklärt Thomas Büchner, einer der beiden Doktoranden im Team die Logik hinter der Bewegung. Wird die Spannung erhöht, ziehen sich die Elektroden näher zusammen und schieben das Öl im Beutel auf eine Seite, wodurch der Beutel insgesamt kürzer wird.

Paare dieser Aktuatoren, die an einem Skelett befestigt sind, führen zu den gleichen paarweisen Muskelbewegungen wie bei Lebewesen: Wenn sich ein Muskel verkürzt, verlängert sich sein Gegenstück. Über einen Computercode, der mit Hochspannungsverstärkern kommuniziert, steuern die Forscher, welche Aktuatoren sich zusammenziehen und welche sich verlängern sollen.

Effizienter als der bisherige Motorantrieb

Die Forscher haben zudem die Energieeffizienz ihres Roboterbeins mit der eines herkömmlichen Roboterbeins verglichen, das von einem Elektromotor angetriebenen wird. Sie untersuchten dazu unter anderem, wie viel Energie unnötig in Wärme umgewandelt wird. „Auf dem Infrarotbild sieht man schnell, dass das Motorbein viel mehr Energie verbraucht, wenn es zum Beispiel in einer gebeugten Position gehalten werden muss”, erklärt Buchner. Im Gegensatz dazu bleibe die Temperatur im elektrohydraulisch angetriebenen Bein gleich. Das liege daran, dass der künstliche Muskel elektrostatisch sei. Sein Mit-Doktorand und Co-Erstautor Toshihiko Fukushima fügt hinzu: „Elektrische Motoren brauchen eine Hitzeregulierung, wodurch zusätzliche Kühlaggregate oder Ventilatoren für das Ableiten der Wärme in die Luft notwendig sind. Unser System benötigt solche Komponenten nicht.”

Durchbruch für Robotik?

Was am neuen „Robotor-Antrieb“ außerdem überzeugt ist die Sprungfähigkeit des Roboterbeins. Die beruht auf der Fähigkeit, sein eigenes Gewicht explosionsartig anzuheben. Die Forscher konnten auch zeigen, dass das Roboterbein über eine hohe Anpassungsfähigkeit verfügt, was für das Soft-Robotik-Forschungsgebiet besonders wichtig ist. Nur wenn der Bewegungsapparat genügend Elastizität aufweist, kann er sich agil an das jeweilige Terrain anpassen. „Das ist bei Lebewesen nicht anders. Wenn wir zum Beispiel unsere Knie nicht beugen können, haben wir große Schwierigkeiten, auf einer unebenen Oberfläche zu gehen”, sagt Projektleiter Robert Katzschmann von der ETH Zürich.

Während ein Sensor dem Elektromotor ständig mitteilen muss, in welchem Winkel sich das Roboterbein befindet, passt sich der künstliche Muskel adaptiv durch die Interaktion mit der Umgebung an. Als Antrieb erhält er konstant die gleichen zwei Eingangssignale: eines für die Beugung und eines für die Streckung des Gelenks. Fukushima erklärt: „Die Anpassungsfähigkeit an das Terrain ist ein zentraler Aspekt. Wenn eine Person in die Luft springt und landet, muss sie sich nicht erst überlegen, ob sie ihre Knie im 90- oder im 70-Grad-Winkel beugen soll. Dasselbe Prinzip gilt für das muskuloskelettale Roboterbein: Ist die Umgebung weich, erreicht das Roboterbein einen anderen Gelenkwinkel als bei hartem Untergrund.”

Technologie eröffnet neue Möglichkeiten

Das Forschungsfeld der elektrohydraulischen Aktuatoren ist noch jung und existiert erst seit rund sechs Jahren. „Der Bereich der Robotik macht rasche Fortschritte in der Regelungstechnik und maschinellem Lernen; im Gegensatz dazu wurden bei der ebenso wichtigen Entwicklung von Roboterhardware weit weniger Fortschritte erzielt. Unsere Publikation erinnert eindringlich daran, wie viel Potenzial für bahnbrechende Innovationen in der Einführung neuer Hardware-Konzepte liegt, wie etwa der Einsatz künstlicher Muskeln,” sagt Co-Projektleiter Christoph Keplinger vom MPI-IS.

Derartigew elektrohydraulische Aktuatoren werden wahrscheinlich nicht in schweren Maschinen auf Baustellen zum Einsatz kommen, sie bieten aber spezifische Vorteile gegenüber Standard-Elektromotoren – insbesondere bei Anwendungen mit Roboterhänden, wo die Bewegung sehr individuell und adaptiv sein muss.

Katzschmann schränkt allerdings ein, dass das aktuelle System im Vergleich zu Laufrobotern mit Elektromotoren noch limitiert sei. „Derzeit ist das Bein an einer Stange befestigt, hüpft im Kreis und kann sich noch nicht frei bewegen.” Zukünftige Arbeiten sollen diese Einschränkungen überwinden, so dass echte Laufroboter mit künstlichen Muskeln entwickelt werden können. „Wenn wir die Technologie des Roboterbeines zu einem vierbeinigen Roboter oder einem humanoiden Roboter mit zwei Beinen kombinieren, könnten wir sie eines Tages, sobald sie batteriebetrieben ist, auch als ein Rettungsroboter einsetzen“, ist Katzschmann überzeugt.