Die neuen Softies

Hydrogele treten in sehr unterschiedlichen Erscheinungsformen auf: Sie können weich sein wie das Gehirn oder zäh wie Sehnen und Knorpel, und sie können ganz verschiedene Aufgaben erfüllen: von der Verdauung bis zur Sinneswahrnehmung. „Der Oktopus kommt fast vollständig ohne starre Strukturen aus“, sagt Kaltenbrunner. „Damit führt er eindrucksvoll vor Augen, was mit Hydrogelen alles möglich ist.“

Zurzeit beschäftigt sich der Forscher mit der Entwicklung einzelner Komponenten von weichen Robotern. Gemeinsam mit seinen Kollegen ist es ihm bereits gelungen, aus dem vielseitigen Werkstoff weiche Linsen herzustellen, die sich wie eine Augenlinse verformen und auf unterschiedliche Entfernung scharf stellen lassen. Auch bei der Energieversorgung können Hydrogele eine Rolle spielen. „Viele der aktuellen Prototypen weicher Roboter werden von außen mit Strom oder Druckluft versorgt und sind somit quasi festgebunden“, sagt Kaltenbrunner. Denn sie hängen an einem Kabel oder Schlauch und sind dadurch nicht frei beweglich.

Elektrischer Strom aus Gelatine

Eine von Martin Kaltenbrunner mitentwickelte weiche Batterie auf Basis von Hydrogelen könnte hier Abhilfe schaffen. Erst Anfang 2020 ist es den Forschern in Linz gelungen, eine besonders feste und widerstandsfähige Gelatine zu entwickeln, die zum ersten Mal auch für industrielle Anwendungen wie Ernteroboter infrage kommt.

Für die Handhabung von empfindlichen Objekten wie Eiern, Obst und Gemüse bietet sich eine Kombination aus einem konventionellen Roboterarm aus Metall mit einem weichen Greifer an. Angetrieben durch Druckluft packt eine solche „Soft-Hand“ zu und umfasst das sensible Objekt, ohne es dabei zu zerquetschen. Für diesen feinfühligen Griff ist keinerlei Sensorik nötig, weil die „Hand“ dem ausgeübten Druck entsprechend, so weit zudrückt, wie es eben geht.

Allerdings: Diese Einfachheit und Flexibilität bringen auch einen Nachteil mit sich. „Weiche Roboterteile halten nicht ewig“, sagt Kaltenbrunner. „Deshalb ist es wichtig, dass die verwendeten Materialien kostengünstig und im Idealfall vollständig biologisch abbaubar sind.“ Die neuartige Gelatine, die in ersten Belastungstests mehrere Hunderttausend Bewegungszyklen überstanden hat, wäre dem Physiker zufolge grundsätzlich sogar essbar.

Schlängelnde Bewegungen

Manche Tiere brauchen keine Beine, um sich fortzubewegen. Schlangen etwa können sich über unterschiedliches Terrain wie Sanddünen, Waldböden oder Fels mühelos bewegen. „Für einen konventionellen laufenden Roboter wäre das nur mit sehr aufwendiger Sensorik und Steuerung möglich“, sagt Kristin de Payrebrune, Inhaberin des Lehrstuhls für Computational Physics in Engineering der Technischen Universität Kaiserslautern. Gemeinsam mit ihrem Team entwickelt die Ingenieurin einen per Luftdruck angetriebenen, weichen Schlangenroboter.

Das Projekt ist Teil des Programms „Soft Material Robotic Systems“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Es umfasst 13 Projekte, die über sechs Jahre hinweg mit insgesamt zwölf Millionen Euro gefördert werden.

Auf Inspektion im engen Rohr

Kristin de Payrebrunes Schlangenroboter könnte eine Kamera auf dem Kopf tragen, um unbekanntes Terrain oder das Innere enger Rohre zu inspizieren. Doch zunächst geht es der Forscherin darum, ein mathematisches Modell zu entwickeln, das die künstliche Schlange beschreibt, und sich auch für ähnliche Geometrien einsetzen lässt, etwa die Finger weicher Greifer. Denn die Methoden, mit denen die Bewegungen von Robotern üblicherweise beschrieben werden, sind nur sehr bedingt auf weiche Materialien wie Silikon oder Gummi übertragbar. „In der Soft Robotics kann man sehr schnell einfache Prototypen bauen und neue Erkenntnisse gewinnen“, sagt de Payrebrune.

Statt den gesamten dreidimensionalen Schlangenkörper zu simulieren, beschränkt sich der neue Ansatz auf die Position des Rückgrats und kombiniert sie mit den Reibwerten der Schlangenhaut. Das spart Rechenleistung und soll künftig die Simulation weicher Roboterteile für die Serienherstellung erleichtern.

Frankensteins Monster

Während sich die meisten Soft-Robotics-Forscher von der Natur inspirieren lassen und versuchen, Lebewesen mit künstlichen Materialien nachzubauen, haben US-amerikanische Wissenschaftler Anfang 2020 mit einem umgekehrten Ansatz aufhorchen lassen: Sie ließen die Evolution ihrer Roboter im Computer ablaufen und benutzten lebende Zellen als Werkstoff, um sie zu bauen. Ihre weniger als einen Millimeter kleinen „Xenobots“ bestehen aus Haut- und Herzmuskelzellen, die aus Stammzellen von Frosch-Embryonen gewonnen wurden. Während die Hautzellen als passive Gewebestruktur dienen, sorgen die Herzmuskelzellen durch ihre Fähigkeit zur Kontraktion für den Antrieb.

Entworfen wurden die Xenobots von einem Algorithmus, der über das Prinzip der Evolution nach Möglichkeiten suchte, einige Hundert Zellen so anzuordnen, dass sie gemeinsam bestimmte Aufgaben erfüllen. Das spontane Gezappel der Zellen wurde in eine gerichtete Bewegung umgewandelt. Die besten Designs wurden schließlich in feinmechanischer Handarbeit zusammengesetzt. So entstanden unterschiedliche künstliche Organismen, die selbstständig durch die Petrischale krochen und sogar in der Lage waren, winzige Objekte zu transportieren. Den Forschern zufolge könnten solche Mikroroboter irgendwann durch unsere Blutbahn schwimmen, um Medikamente zielgenau abzuliefern – oder in großen Schwärmen Mikroplastik im Meer aufspüren und wegräumen.

So wie die Herzmuskelzellen von Fröschen als Antrieb für Xenobots dienen, können auch andere lebende Zellen wie Insektenmuskeln oder Einzeller als Aktuatoren für weiche Roboter eingesetzt werden. „Forscher stürzen sich zurzeit auf biologische Systeme, die sich zusammenziehen oder fortbewegen“, berichtet Christine Selhuber-Unkel, die sich mit ihrer Arbeitsgruppe am neu gegründeten Institute for Molecular Systems Engineering der Universität Heidelberg intensiv mit Soft Robotics beschäftigen wird.

Ein Rochen aus Rattenherzzellen

Als wegweisend gilt ein 2016 an der Harvard University entwickelter, münzgroßer Stachelrochen, dessen weiche Silikonflossen mit genetisch veränderten Zellen aus Rattenherzen überzogen worden waren. Mithilfe von Lichtblitzen haben die Forscher die spontane Kontraktion der Zellen getaktet, um die Flossen in Bewegung zu versetzen und den Roboter anzutreiben.

Für Selhuber-Unkel stellt der Rochen einen wichtigen ersten Schritt dar, doch hofft sie, mit raffinierteren Materialien die Technik noch deutlich verbessern zu können. Anstelle von einfachem Silikon will die Heidelberger Wissenschaftlerin als Trägermaterial schaltbare Hydrogele nutzen, deren Steifigkeit sich mit Licht kontrollieren lässt. Da die Kraftübertragung der Zellen von den mechanischen Eigenschaften der Unterlage abhängt, ließen sich so auch komplexere Anwendungsbereiche ermöglichen. „Unser Ziel ist es, aus lebenden Muskelzellen und schaltbaren Hydrogelen eine weiche Roboterhand zu bauen“, sagt Selhuber-Unkel. Doch zunächst will sie sich auf die Entwicklung eines einfacheren und auch deutlich kleineren Greifers konzentrieren, der etwa einem System aus Daumen und Zeigefinger entspricht.

Ethische Bedenken

Die für den Rochen aus Harvard eingesetzten Herzmuskelzellen sieht die Forscherin kritisch. Die eigneten sich zwar grundsätzlich gut als Aktuatoren, seien aber sehr empfindlich. Zudem müssten sie immer wieder neu aus den Herzen von Rattenembryonen gewonnen werden, was ethische Fragen aufwerfe. Für ihre Forschungsarbeit setzt Selhuber-Unkel daher auf Muskelzellen aus Zelllinien, die in der Petrischale zu Muskelfasern heranwachsen. Hydrogele, die von Kanälen aus diesen Fasern durchzogen sind, sollen als künstliche Muskeln dienen, um weiche, biohybride Roboter anzutreiben.