Zupacken mit Spinnenkräften

Neuer Denkansatz gefragt

Die Bauweise traditioneller Roboter, die etwa in Automobilfabriken, abgeschirmt in Käfigen, Fahrzeugkarosserien zusammenschweißen, basiert auf steifen Bauelementen, Metallen und Elektromotoren. Die Automaten sind schwer und ihre Tätigkeit ist durch Software präzise vordefiniert. Ein Einsatz im Alltag benötigt jedoch einen neuen Denkansatz. Denn dort müssen Roboter nicht die immer gleichen Handgriffe wiederholen, sondern quasi in der Wildnis agieren. Sie müssen in die Nähe von Menschen gelangen dürfen, ohne diese zu verletzen. Sie müssen robust und anpassungsfähig sein. Das erinnert an die Biologie: Menschliche Körper können laufen, schwimmen, klettern und springen. Allerdings: „Roboter, die so vielseitig sind, waren bislang unvorstellbar“, stellt Keplinger fest.

Das hatte Gründe: Schon bei der Steuerung eines biologischen Körpers aus Muskeln, Sehnen und Haut durch das Gehirn geht es um eine völlig andere Art von Materialien. Die Entwicklung von Robotern, die ähnlich flexibel sind und beispielsweise das Geschirr abwaschen können oder eine menschliche Hand komplett imitieren, hat noch einen langen Weg vor sich. Doch in der Roboterforschung herrsche eine Aufbruchstimmung, berichtet Keplinger: „Wir bauen jetzt Körperteile für die Softrobotik, die nicht nur weiche Komponenten besitzen müssen.“

Ein Oktopus, den es an Land verschlagen hat, hätte für diese Situation keine geeignete Bauweise. Weiche Roboter könnten also, wie der Mensch, so etwas wie Knochen und Knorpel enthalten. Neuartige robotische Materialien, die diesen Ansprüchen genügen, kommen derzeit für neuartige Konstruktionskonzepte zum Einsatz – etwa bei Sensoren, Stellgliedern und der Energieversorgung.

Ein Kunstbein nach Spinnenart

2021 präsentierten die Max-Planck-Wissenschaftler eine solche Anwendung: ein künstliches Spinnenbeingelenk. Der Clou daran ist ein besonderer Aktuator, den Christoph Keplingers Gruppe bereits 2018 erfunden hatte. Technisch formuliert geht es um einen „hydraulisch verstärkten, sich selbst heilenden elektrostatischen Aktuator“, nach der englischen Übersetzung dieser Bezeichnung auch als „HASEL“ abgekürzt. „Dieses künstliche Spinnengelenk nutzt unsere Aktuatoren“, sagt der Ingenieur Philipp Rothemund, der in Keplingers Arbeitsgruppe forscht. Es profitiere dadurch von der „strukturellen Intelligenz der Spinnenbeine“.

Die Beine der Gliederfüßler haben außen einen harten Panzer, die Gelenke selbst sind weich. Die Steuerung der Bewegung einer Spinne läuft über das Blut. Das Tier pumpt dazu Blut in sein Kniegelenk und kann es so blitzschnell bewegen. „Unsere Idee war, das mit einem HASEL-Aktuator zu imitieren“ berichtet Rothemund. „Und es hat geklappt.“ Würde man mehrere solcher Gelenke miteinander kombinieren, dann ließen sich daraus auch komplexere künstliche Gliedmaßen konstruieren, etwa Greifer. Die seien dann leicht, einfach und zuverlässig: „ideal für agile Robotersysteme, die sich rasch bewegen sollen.“

Bei dem neuartigen, künstlichen Spinnenbeingelenk handelt es sich um ein elastisches, elektrohydraulisches Gelenk, das sich pro Sekunde bis zu 24-mal blitzschnell abknicken kann. Im Prinzip geht es bei diesem neuen Typ künstlicher Körperteile um elektrisch verformbare Kondensatoren in Form flacher und flexibler Plastiktaschen. Anders als zum Beispiel starre Metallkondensatoren sind die Kunststoffkondensatoren weich. Die Taschen sind gefüllt mit Öl, an ihre Oberfläche wird eine elektrische Spannung angelegt. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, verformen sich dadurch die elastischen Taschen je nach Stärke der Spannung. „Das ist eine simple Idee, und gerade deshalb funktioniert sie so gut“, meint Christoph Keplinger. Der Forscher ist überzeugt, dass sich damit künstliche Muskeln mit bislang ungeahnten Qualitäten bauen lassen.

Röntgens erstaunliches Experiment

Dabei ist die Idee, weiche Substanzen für technische Anwendungen zu verwenden, uralt. Im 17. Jahrhundert experimentierte der englische Universalgelehrte Robert Hooke in Oxford mit Schießpulver, um die Wirkung natürlicher Muskeln zu imitieren, um damit Flugapparate zu bauen. Um 1880 versuchte auch der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen sein Glück mit künstlichen Muskeln – als Professor in Gießen und 15 Jahre, bevor er in Würzburg die Röntgenstrahlen entdeckte. Er sprühte positive und negative elektrische Ladungen auf einen Streifen aus Kautschuk und beobachtete dabei, dass die Ladungen eine Kraft ausübten: Sie zogen den Naturgummi in die Länge.

Doch dabei blieb es. „Röntgen hatte Glück, weil er die Ladungen gesprüht hat“, meint Rothemund. Nur so konnte das Experiment gelingen. Das Problem mit dem Sprühen sei aber, dass es für Anwendung unpraktisch ist. Andere Forscher haben später versucht, die Ladung durch Elektroden und eine daran angelegte elektrische Spannung auf Polymere aufzubringen. Doch dabei wurde das Material instabil und es kam zu einem elektrischen Durchschlag.

Immerhin hatte Röntgen das Funktionsprinzip der „dielektrischen Elastomer-Aktuatoren“ entdeckt. Gleichwohl machte die Forschung an künstlichen Muskeln seitdem kaum Fortschritte. Zwar wurden etliche neue Techniken und Materialien entwickelt – zum Beispiel sogenannte Formgedächtnislegierungen –, aber für die Entwicklung menschenähnlicher Roboter blieben sie wenig ergiebig.

Das Problem mit dem Schulterzucken

Für manche rotierenden Elemente spräche nichts gegen den Einsatz von Elektromotoren. Doch viele gewünschte komplexe Bewegungen, etwa wie in der menschlichen Schulter, sind damit nicht effizient zu verwirklichen. „Elektromotoren lassen sich zu wenig in ihrer Form anpassen und benötigen viele zusätzliche Bauteile, um Bewegungen des menschlichen Körpers nachbilden zu können“, stellt Christoph Keplinger fest. Das gelte auch für Roboter-Greifsysteme mit künstlichen Händen und Fingern.

Um zu untersuchen, was möglich ist, entwickelten die Stuttgarter Max-Planck-Forscher einen Roboterfinger als Demonstrationsobjekt. Das Ziel war nicht, eine komplette komplexe Hand zu bauen. „Stattdessen wollten wir nur die Schnelligkeit einer neuartigen Konstruktion zeigen, die von künstlichen Muskeln angetrieben wird“, berichtet Keplinger. „Und wir wollten dieses Design mit dem traditionellen Ansatz vergleichen, bei dem die künstlichen Finger von Elektromotoren bewegt werden.“ Der Softroboter-Finger imitiert das biologische Vorbild mit Schnüren, die Sehnen ähnlich sind. Der künstliche Muskel befindet sich im Unterarm des Roboters. Gleichwohl sei man von Fingern wie in der menschlichen Hand noch weit entfernt: „Bis sich eine Hand nachbauen lässt für einen Roboter, der zum Beispiel auf einer Violine ein Stück von Paganini spielen kann, wird es noch lange dauern“, meint Keplinger.

Allerdings: Auch wenn sie nicht zu einem künstlichen Stargeiger reichen, haben die neuen künstlichen Muskeln das Zeug, die Art, wie Hand- und Armprothesen gebaut werden, zu verändern. Denn der Antrieb für ihre Bewegungen lässt sich, weg von den Fingern, im Unterarm platzieren – und damit näher am Rumpf des Körpers. Der Vorteil: Bei den recht schweren Elektromotoren in den Fingern von herkömmlichen künstlichen Händen klagten Betroffene häufig darüber, wie sehr sie jede Bewegung anstrenge. Wenn aber die Aktuatoren der weichen Robotik in den Unterarm verlagert werden und sie nur leichte und flexible Kunstfinger bedienen müssen, erleichtert das dem Prothesenträger das Leben.

100 Jahre Dornröschenschlaf

Erstaunlicherweise hat es nach Röntgens Gummi-Experiment mehr als 100 Jahre gedauert, bis die Entwicklung entscheidend weiter vorankam. Um das Jahr 2000 sorgte Ron Pelrine bei den dielektrischen Elastomer-Aktuatoren für einen Durchbruch. Der Ingenieur des kalifornischen Unternehmens SRI International brachte leitende Elektroden auf die Oberflächen eines Acryl-Streifens wie bei einem Klebeband auf und legte eine elektrische Spannung an.

Im Unterschied zu Röntgen dehnte Pelrine seine dielektrischen Elastomere, noch bevor er die elektrische Spannung anlegte. Dadurch wurden sie so steif, dass sie sich durch die elektrischen Kräfte zwar bis aufs Doppelte dehnen konnten, aber nicht mehr instabil wurden und nicht durchbrannten.

„Ron Pelrine hat den Effekt wohl eher beiläufig entdeckt“, meint Philipp Rothemund. Dennoch war die Entdeckung eine Sensation, die die Roboterforscher weltweit aufschreckte. Die vorgedehnten Acryl-Polymere sowie auch Silikone könnten, so prophezeite das Fachjournal „Science“, „einmal Bildschirme, kleine Roboter und künstliche Gliedmaßen steuern.“ „Damals ging es richtig los“, erinnert sich Rothemund. Bald entwickelten Ingenieure erste Anwendungen solch vorgedehnter, dielektrischer Elastomere, zum Beispiel in Pumpen.

Doch die nötige Vordehnung schuf auch Probleme, denn es waren äußere Rahmen zum Befestigen der gedehnten Elastomere notwendig. Und bei der Bewegung der Muskeln mussten sich auch die aufgebrachten Elektroden mitdehnen – eine technische Herausforderung. Die Folge: Die Prototypen waren kostspielig in der Herstellung und gingen rasch kaputt.

Geburt einer pfiffigen Idee

Das brachte Christoph Keplinger 2015 darauf, einen künstlichen Muskel eines neuen Typs zu bauen. Der Forscher wollte die Vorzüge der dielektrischen Elastomer-Aktuatoren, die schnell und energieeffizient sind, mit weichen, von Flüssigkeiten bewegten Aktuatoren kombinieren. Deren Pluspunkte liegen in ihrer Vielseitigkeit und Robustheit. Die Idee zur Entwicklung der Anfang 2018 erstmals öffentlich vorgestellten HASEL-Aktuatoren war damit geboren.

Der Trick von Christoph Keplinger und seinem Team: „Wir umgehen Röntgens Problem, indem wir dünne Polymerfolien verwenden, die einfach biegbar, aber nicht dehnbar sind“, erläutert der Wissenschaftler. Sie müssen daher auch nicht vorgedehnt werden, um die problematischen elektromechanischen Instabilitäten zu vermeiden.“ Aktuatoren der Stuttgarter Max-Planck-Forscher benötigen also keine dehnbaren Materialien mehr. In den flexiblen Plastiktaschen wird lediglich Öl umherbewegt. „Dafür nutzen wir sogenannte thermoplastische Filme“, erklärt Teammitglied Rothemund: feste Polymere, die sich nicht dehnen. Zum Beispiel Chipstüten bestehen aus diesem Material. Ein weiterer Vorzug der Kunststoffbeutel: Es sind keine dehnbaren Elektroden mehr nötig, was ihre Herstellung vereinfacht.

Öl in der Chipstüte

Und so funktionieren die neuen Muskeln aus dem Stuttgarter Max-Planck-Labor: In dünne, nicht dehnbare Plastikbeutel wird Öl eingefüllt, und es werden elektrisch leitfähige Schichten aufgebracht. „Drückt man auf eine Seite, beult sich der Beutel an anderer Stelle aus“, erklärt Ingenieur Rothemund. Das Element ähnele einem Plattenkondensator mit positiven und negativen Ladungen, die sich anziehen. Allerdings: In einem normalen Kondensator aus Metall sind die beiden Platten so steif, dass sich nichts deformieren kann. „Da wir Plastikbeutel mit Flüssigkeiten verwenden, ziehen sich beide Seiten zusammen, und die Bewegung des Öls ermöglicht vielfältige und elektrisch steuerbare Formänderungen der HASEL-Muskeln.“ Solche künstlichen Muskeln lassen sich präzise in verschiedenen Größen und Formen bauen.

Zudem sind die neuen, beweglichen Kunststofftaschen einfach herzustellen. „Schon mit einer simplen Panini-Presse lassen sie sich produzieren“, sagt Philipp Rothemund. Und die ölgefüllten Beutel haben ein Talent zur Selbstreparatur. Wie Max-Planck-Direktor Keplinger erklärt, können ihre Plastik-Aktuatoren selbst Beschädigungen heilen. Als Ron Pelrine vor 23 Jahren seine neue Aktuatortechnik mit dielektrischen Elastomeren vorstellte, traktierte er noch Gummifolien mit elektrischen Feldern. Das ging nicht immer gut.

Elektrische Selbstheilung

„Legt man da zu hohe Spannungen an, kann ein Plasmakanal durchbrennen, was die Teile dauerhaft beschädigt“, sagt Keplinger. Wenn jedoch bei den weichen Plastiktaschen-Aktuatoren etwas durchbrennt, fließt einfach Öl blitzschnell an die beschädigte Stelle. „Unsere künstlichen Muskeln sind also elektrisch selbstheilend.“ Um das Konzept zu testen, verwendeten die Forscher für die Plastiktüten anfangs billige Verpackungen wie für Chipstüten. Die sind aber nicht optimiert für hohe elektrische Spannungen. Daher arbeitet das Team inzwischen an speziellen Hochleistungskunststoffen, die zum Beispiel auf Polyvinylidenfluorid (PVDF) basieren und sehr hohe Energiedichten für die Muskeln versprechen.

Offenbar ist es mit den flexiblen, ölgefüllten Kunststofftaschen recht einfach, Muskelkräfte aufzubieten, die so stark sind wie bei menschlichen Muskeln. Je höher die angelegte elektrische Spannung, desto kräftiger sind auch die künstlichen Muskeln. Doch das klappt nur bis zu der gefürchteten Durchschlagsspannung, bei der die Ladungen sich in einem Kanal durch die Taschen brennen. Auch die ölbasierte Selbstheilung gerät dann an ihre Grenze. Deshalb überlegten die Stuttgarter Forscher, wie sie die Durchschlagsspannung weiter erhöhen könnten, um ihren weichen Aktuatoren noch mehr Kraft zu verleihen.

Unvorstellbar große Kräfte

Es klingt fast wie Alchemie, wenn Philipp Rothemund schildert, wie das Team es in kurzer Zeit schaffte, solche stärkeren Roboterelemente zu entwickeln: „Bei der Herstellung der Polymerfilme haben wir lediglich ein oder zwei Parameter verändert, und schon besaßen unsere Plastikbeutel eine viel höhere Durchschlagsspannung.“ Gegenüber den vorherigen Modellen wurden die verbesserten Aktuatoren sogar um ein Vielfaches stärker. „Wir erwarten, dass unsere nächste Generation künstlicher Muskeln nochmals um den Faktor 10 bis 100 stärker sein könnte als die jetzigen“, sagt Rothemund. Das sei nicht unproblematisch: „So starke künstliche Muskelfasern wären rein mechanisch in der Lage, sich selbst in Stücke zu zerreißen – daher arbeiten wir auch daran, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.“

Bei brenzligen Katastropheneinsätzen böte die neue Generation der Aktuatoren enorme Vorteile, da die Roboter damit bei Bedarf Bärenkräfte ausüben könnten – etwa, um schwere Gesteins- oder Mauerbrocken zu beseitigen oder verletzte Menschen zu tragen. Alternativ ließen sich die Taschen bei gleicher Kraft verkleinern, wodurch sie auch weniger elektrische Energie benötigen würden. „Damit wäre der künstliche Muskel noch sicherer und ließe sich einfacher betreiben“, stellt Rothemund fest. Das eröffnet viele neue Anwendungs- und Bewegungsmöglichkeiten: ob behutsames Greifen, Kriechen, Gehen oder Springen. In Kombination mit neuen Technologien zum Sehen, Hören und Fühlen erscheint der Weg hin zu einem universellen, humanoiden Roboter dann nicht mehr so steinig wie noch vor einigen Jahren. Für Christoph Keplinger bleibt das trotzdem eine ferne Vision: „Den menschlichen Körper nachzubauen, ist eine Lebensaufgabe.“

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