Ein 3D-gedruckter Greifer aus selbstheilendem Material hält eine Erdbeere.

Bild: SHERO
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Neue Technologien für eigenständige Reparatur Roboter, die sich selbst heilen

12.08.2019

Roboter spielen eine immer größere Rolle im täglichen Leben. Um Seite an Seite mit dem Menschen oder mit sensiblen Objekten arbeiten zu können, müssen sie flexibel beziehungsweise „weich“ genug sein. Das macht sie jedoch anfällig gegenüber Rissen. Im Rahmen eines Projektes soll Robotern deshalb die Fähigkeit verliehen werden, sich im Falle von Verletzungen selbst zu reparieren.

Roboter werden bald nicht mehr nur in Fabriken und Labors zu finden sein, sondern den Menschen auch im Alltag unterstützen. Sie können im Haushalt helfen, die Arbeitsbelastung verringern und das Leben sicherer machen. Bei der Arbeit Seite an Seite mit dem Menschen ist dabei stets wichtig, dass Roboter sicher operieren.

Um mit zerbrechlichen Objekten geschickt umzugehen und die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten, werden viele Roboter der nächsten Generation aus flexiblen Materialien bestehen. Dadurch wird das Verletzungsrisiko für den Menschen verringert, das für die Maschinen allerdings erhöht: Die „weichen“ Roboter sind besonders anfällig für Risse durch scharfe Gegenstände. Erforderliche Reparaturen können dann lange dauern und sehr kostspielig ausfallen.

Reparatur ohne menschliches Zutun

Ein multinationales Projekt hat deshalb zum Ziel, eine neuen Generation Roboter zu entwickeln, die Schäden erkennen und diese selbst reparieren. Über die nächsten drei Jahre wird es im Rahmen des EU-Programms Future & Emerging Technologies mit 3 Millionen Euro unterstützt. Beteiligt sind Forscher der Vrije Universiteit Brussel, der University of Cambridge, der École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la ville de Paris (ESPCI-Paris), der Empa und des niederländischen Polymerherstellers SupraPolix.

Neu gestartet ist in diesem Zusammenhang das SHERO-Projekt (Self-HEaling soft RObotics). Wissenschaftler arbeiten hier an Technologien, mit denen flexible 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 dabei dafür sorgen, den Selbstheilungsprozess zu erkennen und zu aktivieren.

Ziel des Projekts ist es nun, einen sanften Roboter aus selbstheilendem Material zu entwickeln, der Schäden erkennt, die notwendigen Schritte einleitet und den Defekt – wenigstens vorübergehend – selbst behebt. Auf diese Weise soll er laufende Arbeitsprozesse abschließen können, um dann während Servicearbeiten vollständig repariert zu werden.

Selbstheilende Sensoren und Aktoren

SHERO wird von der Universität Brüssel mit einem Team von Wissenschaftlern des Roboterforschungszentrums Brubotics und des Polymerforschungslabors FYSC geleitet. „In den letzten Jahren haben wir bereits erste Schritte unternommen, um selbstheilende Materialien für Roboter herzustellen“, berichtet Projektleiter Bram Vanderborght. „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.“

„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“, erklärt Thomas George Thuruthel, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Sensorik und Selbstheilung für weiche Robotik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Cambridge. Ziel sei es, die selbstheilenden Sensoren und Aktoren in Demonstrationsplattformen zu integrieren, um bestimmte Aufgaben ausführen zu können.

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 Polymer 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.“

Bildergalerie

  • Weiche Roboter können flexibel mit Alltagsgegenständen umgehen. Das geht jedoch zu Kosten der Robustheit.

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  • Hat sich der Roboter Verletzungen zugezogen ...

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  • ... kann er sie mittels Selbstreparatur wieder heilen.

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  • Eine Roboterhand aus speziellem Kunststoff, der sich bei Raumtemperatur selbst reparieren kann.

    Bild: SHERO

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