Forschung Wie die Roboterhand das Fühlen lernt

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Für Menschen ist das Greifen von Gegenständen etwas natürliches und selbstverständliches. Die vermeintlich einfachen Bewegungen stellen Roboter jedoch vor enorme Herausforderungen.

Damit Ernteroboter, U-Boot-Greifer und autonome Rover auf fernen Planeten künftig universeller einsetzbar und selbstständiger werden, bringen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden ihnen das Fühlen bei: Sie arbeiten unter anderem im Projekt „Bio-Grip” gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung an künstlichen Greifern, die nach dem Vorbild der Natur konstruiert sind. Dabei hilft die Kombination von 3D- und Dispensdruck mit weiteren Technologien – eine wichtige Rolle spielen aber auch Fische.

„Die technologischen Fortschritte in der additiven Fertigung ermöglichen es inzwischen, viel mehr biologische Konzepte als früher zu adaptieren”, betont Mechatronik-Ingenieur Hannes Lauer vom Fraunhofer IWS, der das Projekt Bio-Grip betreut. „Die Natur ist voll von Lösungen. Wenn wir als Ingenieure nicht weiterkommen, lohnt sich immer der Blick auf ihre Konzepte.”

Finray-Effekt: Flosse umschließt Objekt

Im konkreten Fall machen sich die Projektpartner die Fähigkeit der Flossen bestimmter Fische zu Nutze, auf einen Druck nicht mit einer ausweichenden, sondern einer Gegenbewegung zu reagieren, also die angreifende Kraft zu umschließen. Die Fische selbst verwenden dies, um sich einfacher fortzubewegen. Diesen Finray genannten Effekt haben die Ingenieure im Zuge des Bio-Grip-Projektes von Mitte 2021 bis Anfang 2023 verwendet. Sie haben dafür mit Sensoren versehene Greifer gedruckt, die Objekte dank Finray-Technologie schonend umfassen können.

• Dafür hat das Fraunhofer IWS zunächst eine Greifergrundstruktur – ähnlich dem Flossenskelett der Fische – aus flexiblem Polyurethan erzeugt. Zum Einsatz kam ein 3D-Drucker, der nach dem additiven Prinzip Fused Filament Fabrication (FFF) arbeitet. Solche Geräte schmelzen Kunststoff von der Rolle auf und generieren aus der Schmelze dann schichtweise – nach einem Computermodell als Vorlage – die gewünschte Struktur.

• Auf die Oberfläche des Greifers bringt danach ein Dispens-Drucker mit Kanülen feine Strukturen aus Silberpaste auf. Im Anschluss werden die so generierten Muster mittels Infrarotstrahlung funktionalisiert. Zu diesen Funktionsstrukturen gehört beispielsweise ein Mäander-Muster aus 250 Mikrometer schmalen Leiterbahnen. Biegt oder streckt sich der einzelne Finger, ändert sich der elektrische Widerstand des Mäanders. Dadurch lässt sich die Greiferkrümmung jederzeit ermitteln.

• Der Drucker generiert auf den Greiferfingern auch übereinander geschichtete dünne Ebenen aus Silber und Isolatoren, sodass ein flacher Kondensator entsteht. Werden die beiden Silberebenen durch eine äußere Kraft zusammengepresst, ändert sich die Kapazität des Kondensators. So lässt sich die auf den Greifer wirkende Kraft ermitteln.

• Der Dispensdrucker kann zudem berührungssensitive und andere Oberflächensensoren herstellen. Kombiniert mit Mikrosystemen in der integrierten Steuer- und Auswerteelektronik lässt sich eine Vielzahl weiterer Funktionen der menschlichen Hand simulieren. Denkbar wäre etwa, durch ein leichtes Schütteln des gegriffenen Objektes dessen Gewicht abzuschätzen.

Bionische Greifer für Mars und Meeresgrund

Diese Kombination mehrerer additiver Druckverfahren und weiterer Technologien erzeugt autonome Greifer, die gewissermaßen „fühlen” können, was sie fassen. In Industrie und Forschung wächst bereits das Interesse. Zur Debatte steht unter anderem die Sammlung von Proben mit unvorhersehbaren Formen auf dem Mars. Lebensmittelunternehmen könnten mit derart nachgerüsteten Robotern Äpfel oder anderes Obst schonend sortieren und einpacken. Biologen könnten mit „Fühlgreifern” kleine Seeigel, Seegurken und andere Ozeanbewohner einsammeln, ohne sie zu verletzen. Weitere Anwendungsszenarien dürften noch folgen.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal elektrotechnik.

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