Künstliche Muskeln machen Roboter Beine
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Die Doktoranden Toshihiko Fukushima und Thomas Buchner mit ihrem Roboterbein
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Herkömmliche Roboterbeine werden mit Elektromotoren angetrieben (links), während die neue Technik elektrohydraulische Aktuatoren – künstliche Muskeln – verwendet (rechts).
Alle bisherigen Roboter haben eines gemeinsam: Sie werden von Elektromotoren angetrieben. Deshalb fehlt ihnen teilweise die Beweglichkeit und Anpassungsfähigkeit von Lebewesen. Ein neues mit Muskeln angetriebenes Roboterbein ist nicht nur energieeffizienter als ein herkömmliches, sondern kann auch hohe Sprünge und schnelle Bewegungen ausführen, sowie Hindernisse erkennen und darauf reagieren – und das alles ohne komplexe Sensoren. Entwickelt haben es Forschende der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS), unter anderem die Doktoranden Thomas Buchner und Toshihiko Fukushima.
Wie bei Mensch und Tier sorgen auch beim Roboterbein ein Streck- und ein Beugemuskel dafür, dass Bewegungen in beide Richtungen möglich sind. Es sind elektrohydraulischen Aktuatoren, die über Sehnen am Skelett befestigt. Sobald eine Spannung anliegt, ziehen sie sich wie ein Muskel zusammen. 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.
Effizienter als Elektromotoren
Die Forschenden verglichen die Energieeffizienz ihres Roboterbeins mit der eines herkömmlichen Roboterbeins, 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", erklärt Buchner. Im Gegensatz dazu bleibe die Temperatur im elektrohydraulisch angetriebenen Bein gleich. "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", fügt Fukushima hinzu.
Die Sprungfähigkeit des Roboterbeins beruht auf seiner Fähigkeit, sein eigenes Gewicht explosionsartig anzuheben. Die Forschenden konnten auch zeigen, dass das Roboterbein über eine hohe Anpassungsfähigkeit verfügt. Nur wenn der Bewegungsapparat genügend Elastizität aufweist, kann er sich agil an das jeweilige Terrain anpassen. 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.
Weitere Informationen zu den künstlichen Muskeln gibt es auf der Website des MPI.
Bilder: MPI-IS, ETH Zürich
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