Wenn man nicht extrem behutsam vorgeht, macht man sehr empfindliche Objekte bekanntlich schnell kaputt oder kann Filigranes nicht ergreifen. Das ausgeprägte Fingerspitzengefühl gehört zu den wichtigsten Talenten des Menschen. Diese Fähigkeiten auf Robotiksysteme zu übertragen, stellt für die Technik eine große Herausforderung dar. Es ist zwar gelungen, feinmotorische Robo-Hände aus weichen Materiellen herzustellen, die etwa mit Obst sanft umgehen können. Weiter auf die Spitze treiben lässt sich die Sensibilität bisher allerdings kaum: So etwas Empfindliches wie ein Eigelb können Robotergreifer nicht zerstörungsfrei erfassen. Doch das könnte sich dank der Entwicklungen eines Forscherteams der North Carolina State University in Raleigh ändern.
Von Papierschneidekunst inspiriert
Die Wissenschaftler lassen sich bei ihrer Arbeit von der japanischen Kunst Kirigami inspirieren. Im Gegensatz zum bekannteren Origami kommen bei dieser Technik nicht nur Faltungen, sondern auch Schnitte zum Einsatz, um flächiges Material in komplexe 3D-Objekte zu verwandeln. Eine bekannte Variation der Papierschneide-Kunst sind dabei die sogenannten Pop-ups – Tiere, Gebäude und andere Strukturen, die entstehen, wenn man eine Karte oder ein Buch öffnet. Dieses Konzept haben die Wissenschaftler für die technische Nutzung angepasst.
Dabei werden 2D-Folien aus verschiedenen Kunststoffen durch Lasercutter mit raffinierten Schlitzstrukturen versehen, um durch Bewegungen nützliche 3D-Strukturen entstehen zu lassen. Die spätere Form wird dabei vor allem durch die äußere Begrenzung des Materials bestimmt. So ergibt etwa ein 2D-Material mit einer kreisförmigen Begrenzung eine kugelförmige 3D-Struktur. In der aktuellen Studie präsentieren die Forscher nun ein neues Berechnungssystem, das die Entwicklung von Schnittmustern deutlich erleichtert und zu raffinierten Resultaten führen kann.
“Unsere Technik ist wesentlich einfacher als frühere Techniken zur Umwandlung von 2D-Materialien in gekrümmte 3D-Strukturen und ermöglicht es Designern, eine Vielzahl von maßgeschneiderten Strukturen aus verschiedenen 2D-Materialien zu erstellen”, sagt Senior-Autor Jie Yin. Sein Kollege Yaoye Hong führt weiter aus: “Wir haben ein Modell entwickelt, mit dem die Benutzer rückwärts arbeiten können: Wenn die Anwender wissen, welche Art von gekrümmter 3D-Struktur sie benötigen, können sie mit unserem Ansatz die Form der Begrenzungen und das Muster der Schlitze bestimmen, die sie im 2D-Material verwenden müssen”, erklärt der Wissenschaftler.
Behutsames und präzises Greifen
Um das Potenzial ihrer Technik zu demonstrieren, hat das Team einen raffinierten Kirigami-Greifer entwickelt, der von einem Roboter bedient werden kann. “Wir wollten zeigen, dass sich mit unserem Konzept Werkzeuge herstellen lassen, die selbst extrem empfindliche Objekte greifen und bewegen können”, sagt Yin. Der Greifer entsteht durch ein bestimmtes Schnittmuster, das in ein zweidimensionales Material aus flexiblem Kunststoff geschnitten wird. Das Resultat besitzt an der Seite Anhängsel, die bei Zugbelastung einen Formgebungseffekt auslösen: Es entsteht ein taschenartiges Gebilde mit einer präzise schließenden Schnabelöffnung. Bei Entspannung des Systems öffnet sie sich dann wieder.
