Luftbetriebener Roboter ahmt Gehen ohne Elektronik nach

Ingenieure haben einen vierbeinigen Soft-Roboter entwickelt, der keine Elektronik benötigt, um zu funktionieren. Der Roboter braucht nur eine konstante Druckluftquelle für all seine Funktionen einschließlich Steuerung und Lokomotion. Anwendungen umfassen Roboter, die in Umgebungen arbeiten können, wo Elektronik nicht funktionieren kann, wie MRT-Geräte oder Bergwerksschächte. Soft-Roboter sind besonders interessant, weil sie sich leicht an ihre Umgebung anpassen und sicher in der Nähe von Menschen arbeiten können.

Die meisten Soft-Roboter werden durch Druckluft angetrieben und durch elektronische Schaltkreise gesteuert. Aber dieser Ansatz erfordert komplexe Komponenten wie Leiterplatten, Ventile und Pumpen, oft außerhalb des Roboterkörpers. Diese Komponenten, die das Gehirn und Nervensystem des Roboters darstellen, sind typischerweise sperrig und teuer. Im Gegensatz dazu wird der neue Roboter durch ein leichtes, kostengünstiges System pneumatischer Schaltkreise gesteuert, bestehend aus Schläuchen und weichen Ventilen an Bord des Roboters selbst. Der Roboter kann auf Befehl oder in Reaktion auf Umweltsignale laufen.

Q&A mit dem Forscher lesen

UCSD-Ingenieur Dylan Drotman erzählt Tech Briefs, wo dieser Robotertyp eingesetzt werden kann und wie er potenziell viel mehr kann als nur laufen.

Die rechnerische Leistung des Roboters ahmt grob säugliche Reflexe nach, die durch eine neuronale Reaktion vom Rückenmark und nicht vom Gehirn angetrieben werden. Das Team ließ sich von neuronalen Schaltkreisen in Tieren inspirieren, sogenannten Central Pattern Generators, die aus sehr einfachen Elementen bestehen, die rhythmische Muster erzeugen können, um Bewegungen wie Gehen und Laufen zu steuern. Um die Funktionen der Generatoren nachzuahmen, baute das Team ein Ventilsystem, das als Oszillatoren fungiert und die Reihenfolge steuert, in der Druckluft in die luftbetriebenen Muskeln in den vier Gliedmaßen des Roboters eintritt. Die Forscher bauten eine Komponente, die den Gang des Roboters koordiniert, indem sie die Injektion von Luft in die Roboterbeine verzögert. Der Gang des Roboters wurde von Schmuckschildkröten inspiriert.

Der Roboter ist auch mit einfachen mechanischen Sensoren ausgestattet – kleine weiche, mit Flüssigkeit gefüllte Blasen an den Enden von Auslegern, die vom Roboterkörper abstehen. Wenn die Blasen gedrückt werden, dreht die Flüssigkeit ein Ventil im Roboter, das ihn die Richtung umkehren lässt. Der Roboter ist mit drei Ventilen ausgestattet, die als Inverter fungieren und einen Hochdruckzustand im luftbetriebenen Schaltkreis verbreiten, mit einer Verzögerung an jedem Inverter.

Jedes der vier Beine des Roboters hat drei Freiheitsgrade, angetrieben von drei Muskeln. Die Beine sind im 45-Grad-Winkel nach unten geneigt und bestehen aus drei parallelen, verbundenen pneumatischen Zylindern mit Balgen. Wenn eine Kammer unter Druck gesetzt wird, biegt sich das Glied in die entgegengesetzte Richtung. Als Ergebnis liefern die drei Kammern jedes Glieds die für das Gehen erforderliche Mehrachsen-Biegung. Die Forscher paarten Kammern von jedem Bein diagonal gegenüber voneinander, was das Steuerungsproblem vereinfacht.

Ein weiches Ventil schaltet die Rotationsrichtung der Glieder zwischen gegen- und im Uhrzeigersinn. Dieses Ventil fungiert als sogenannter latching double-pole, double-throw switch – ein Schalter mit zwei Eingängen und vier Ausgängen, sodass jeder Eingang zwei entsprechende Ausgänge hat, mit denen er verbunden ist. Dieser Mechanismus ist ein bisschen so, als würde man zwei Nerven nehmen und ihre Verbindungen im Gehirn vertauschen.

Die Forscher möchten den Gang des Roboters verbessern, damit er auf natürlichem Gelände und unebenen Oberflächen laufen kann, was es ihm ermöglicht, über eine Vielzahl von Hindernissen zu navigieren. Dies würde ein raffinierteres Sensornetzwerk und ein komplexeres pneumatisches System erfordern. Das Team wird auch untersuchen, wie die Technologie genutzt werden könnte, um Roboter zu schaffen, die teilweise durch pneumatische Schaltkreise für Funktionen wie Gehen gesteuert werden, während herkömmliche elektronische Schaltkreise höhere Funktionen übernehmen.