Active 3D weaves for load-bearing and damage-resilient locomotion

Soft-Roboter sind Maschinen, die aus Materialien gebaut werden, die sich biegen, dehnen und verformen, anstatt aus starrem Metall und Zahnrädern. Diese Flexibilität macht sie sicher beim Berühren und ideal für das Tragen am menschlichen Körper, wie etwa ein intelligentes Hemd oder eine medizinische Stütze. Doch genau diese Weichheit ist auch ihre größte Schwäche. Da sie so formbar sind, haben sie Schwierigkeiten, schwere Objekte zu tragen oder gegen starke Kräfte anzudrücken, ohne in sich zusammenzusinken. Jahrzehntelang standen Ingenieure vor einer schwierigen Wahl: einen Roboter zu bauen, der weich und sicher ist, oder einen, der stark genug für schwere Lasten ist, aber selten beides gleichzeitig zu sein.

Ein Forschungsteam hat einen Weg gefunden, diese Lücke zu schließen, indem es sich eines der ältesten Handwerke der Menschheit zuschätzte: das Weben. Genau wie ein Korbflechter flexible Schilfstreifen verflechtet, um einen Behälter zu schaffen, der sowohl leicht als auch stabil ist, haben diese Wissenschaftler dünne Materialstreifen zu dreidimensionalen Formen gewebt, die sich bewegen, Gewicht tragen und Druckverformungen überstehen können. Durch das Einbetten spezieller Drähte, die sich bei Erwärmung zusammenziehen, in diese gewebten Strukturen haben sie eine neue Art von Roboter geschaffen, der weich genug ist, um zu gehen und zu steuern, aber dennoch steif genug, um Lasten zu tragen, die weit schwerer sind als er selbst.

Die Forscher begannen mit der Erstellung eines einzelnen, grundlegenden Bausteins, den sie eine „gewebte Ecke“ nennen. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen drei Gruppen dünner, flacher Bänder und verflechten sie rechtwinklig zu einer Eckform, ähnlich der Ecke eines geflochtenen Korbes. Um diese Ecke beweglich zu machen, fädelten sie zwei gewundene Drähte aus einer speziellen Metalllegierung durch die Struktur. Diese Drähte sind so konzipiert, dass sie sich zusammenziehen oder verkürzen, wenn ein elektrischer Strom sie erhitzt. Wenn die Forscher einen kleinen elektrischen Strom anlegten, erhitzten sich die Drähte und schrumpften, wodurch die gewebte Ecke in eine neue Form gezogen wurde. Wenn der Strom stoppte und die Drähte abkühlten, kehrte die Ecke in ihre ursprüngliche Form zurück.

Durch die sorgfältige Anordnung der Drähte entdeckte das Team, dass sie diese Ecke gehen lassen konnten. Wenn die Drähte auf einer Seite erhitzt wurden, faltete sich die Ecke so, dass die hinteren Beine nach vorne glitten, während das vordere Bein fest stand. Wenn die Drähte abkühlten, glitt das vordere Bein nach vorne, während die hinteren Beine Boden hielten. Durch die Wiederholung dieses Zyklus aus Erhitzen und Abkühlen bewegte sich die Ecke in einer Serie von Schritten vorwärts. Die Forscher zeigten auch, dass sie die Ecke steuern konnten, indem sie nur einen Draht erhitzten, was dazu führte, dass die Struktur beim Bewegen eine Kurve fuhr. Diese einfache Einheit bewies, dass eine gewebte Struktur sowohl flexibel genug für Bewegungen als das auch stark genug ist, um Gewicht zu tragen.

Um zu beweisen, dass dieses Konzept skalierbar ist, fügte das Team diese gewebten Ecken zu größeren, komplexeren Robotern zusammen. Sie bauten einen Würfel, der sich durch das Schrumpfen und Ausdehnen seines gesamten Körpers bewegt, sowie Kreaturen mit zwei, drei und vier Beinen, die durch das Beugen ihrer Gliedmaßen laufen. Jeder dieser Roboter wurde aus demselben gewebten Material und denselben hitzeschrumpfenden Drähten konstruiert. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Während die 10 Gramm schwere gewebte Ecke eine Last tragen konnte, die 25-mal schwerer war als sie selbst, demonstrierte die breitere Familie dieser gewebten Roboter die Fähigkeit, Lasten bis zum Siebzigfachen ihres Eigengewichts zu tragen, während sie sich gleichzeitig vorwärts bewegten. Beispielsweise konnte ein Roboter, der nur zehn Gramm wiegt, eine Last von 250 Gramm – etwa das Gewicht eines kleinen Apfels – tragen, ohne seine Fähigkeit zu verlieren, zu laufen.

Die vielleicht überraschendste Entdeckung war, wie gut diese Roboter extremem Missbrauch standhielten. Die Forscher setzten die gewebten Ecken Kräften aus, die das Dreizehnhundertfache ihres eigenen Gewichts betrugen und sie vollständig flach drückten. Anstatt zu brechen oder gequetscht zu bleiben, sprangen die Roboter wieder zurück. Die gewebten Bänder bogen und krümmten sich so, dass sie den Stoß absorbierten, ohne dauerhaft deformiert zu werden, und die Metalldrähte, die gedehnt und verdreht worden waren, kehrten nach dem Nachlassen des Drucks in ihre ursprüngliche Form zurück. Nachdem die Roboter mehrfach gequetscht und flachgedrückt worden waren, liefen sie weiterhin auf exakt denselben Pfaden wie zuvor, was zeigte, dass keine Leistungseinbußen auftraten.

Das Geheimnis dieser Widerstandsfähigkeit liegt im Design des Geflechts selbst. Im Gegensatz zu einem soliden Block aus Material, der unter Druck reißen könnte, ermöglicht die gewebte Struktur ihren einzelnen Strängen, lokal zu biegen und einzuknicken, wodurch die Kraft über die gesamte Form verteilt wird. Dies ist vergleichbar damit, wie ein gewebter Korb flach gedrückt werden kann und dann wieder in seine Form zurückspringt, während ein fester Plastikbecher brechen oder eingedellt bleiben würde. Die Forscher nutzten Computermodelle, um genau zu verstehen, wie sich die Struktur bewegte, und fanden heraus, dass das Geflecht von Natur aus steif ist, wenn man daran zieht, aber flexibel, wenn man es seitlich biegt. Diese einzigartige Eigenschaft erlaubte es ihnen, die beweglichen Drähte dort zu platzieren, wo die Biegung stattfindet, um eine effiziente Bewegung zu gewährleisten, während die Struktur gleichzeitig steif genug blieb, um schwere Lasten zu halten.

Diese Arbeit zeigt, dass Weben nicht nur eine Methode zur Herstellung von Stoffen ist, sondern eine leistungsstarke Engineering-Strategie für den Bau von Maschinen. Durch die Kombination der alten Kunst des Webens mit modernen aktiven Materialien haben die Forscher eine neue Klasse von Robotern geschaffen, die weich, stark und unglaublich robust sind. Diese Maschinen könnten eines Tages als tragbare Exoskelette dienen, die Menschen beim Heben schwerer Gegenstände helfen, oder als Rettungsroboter, die durch Trümmer kriechen und Vorräte transportieren können, ohne zu zerbrechen. Die Studie zeigt, dass Ingenieure, indem sie in drei Dimensionen denken und die natürlichen Eigenschaften gewebter Strukturen nutzen, das langjährige Problem lösen können, Soft-Roboter zu bauen, die auch stark genug sind, um echte Arbeit zu leisten.