Guter Halt für Greifroboter

Inspiriert von Insekten: Internationales Forschungsteam der Biomechanik optimiert Roboterbewegungen

Eine ganze Generation von Greifrobotern wurde nach einem bestimmten Design-Prinzip entwickelt. Ein internationales Forschungsteam aus der Biomechanik hat es jetzt nach dem Vorbild von Insekten optimiert. Unter der Leitung der Süddänischen Universität (SDU) übertrugen Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) es außerdem zum ersten Mal von Hand- auf Fußelemente. Damit könnten Roboter in Zukunft nicht nur besser und mit weniger Kraftaufwand greifen, sondern sich auch zügig und sicher auf unebenen Oberflächen fortbewegen. Die Ergebnisse des Forschungsteams erschienen im Fachmagazin Advanced Intelligent Systems und als Titelgeschichte der aktuellen Printausgabe. 
 

Guter Kontakt: Heuschreckenfüße dienen als Vorbild

Viele Roboter können mit ihren Greifarmen andere Objekte fest umschließen ohne dabei großen Druck auszuüben. Das gelingt, weil sie sich besonders gut an die Kontur ihrer Zielobjekte anpassen. Dahinter steckt ein Design-Prinzip aus der Natur, der sogenannte Fin-Ray®-Effekt. „Es ist faszinierend: Drückt man auf eine Seite eines spitzen Dreiecks, biegt es sich nicht von einem weg – was zu erwarten wäre – sondern einem entgegen“, beschreibt Zoologie-Professor Stanislav Gorb von der CAU das Phänomen. Vor rund 25 Jahren hat es der deutsche Biologe Leif Kniese erstmals bei Fischflossen beobachtet: Dank spezieller Querverstrebungen im Inneren passen sich die Flossen optimal an verschiedene Strömungsverhältnisse an.

In den Füßen vieler Insekten finden sich ähnliche Verstrebungen. Sie sorgen dafür, dass sie sich besser an Oberflächen anpassen und dort sicher anhaften. „Das ist eine unserer zentralen Forschungsfragen: Warum haften Insekten ohne viel Kraftaufwand so gut an Oberflächen? Wie stellen sie die dafür nötige große Kontaktfläche her?“, fasst Gorb den Fokus seiner Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ an der CAU zusammen.

Mit seinem Kieler Team untersuchte Gorb verschiedene Insektenfüße wie die der Heuschrecke Tettigonia viridissima (Grünes Heupferd). Sie stellten fest: Während die Querverstrebungen in „Fin-Ray“®-Greifarmen immer in einem 90-Grad-Winkel angebracht sind, kommen sie in Insekten mit verschiedenen Winkeln vor. Was für Auswirkungen andere Winkel haben können, war für den Fin-Ray®-Effekt bisher nicht detailliert untersucht worden. Im Rahmen der Studie berechneten die Kieler Forschenden jetzt, welche Kräfte bei unterschiedlichen Winkeln auf die Greifarme und ihre Zielobjekte wirken. Die Ergebnisse ihrer Computersimulationen überprüften sie in Experimenten und Kraftmessungen mit Modellen aus dem 3D-Drucker.

Neues Design für die Greifroboter-Branche?

„Wir sahen, dass Greifarme mit kleineren Winkeln ihre Zielobjekte noch leichter umschließen und dafür auch noch weniger Kraft benötigen“, so Gorb. Erstautor Poramate Manoonpong ergänzt: „Damit wären Roboter zum Beispiel in der Lage, Lebensmittel und andere empfindliche Gegenstände mit etwa 20 Prozent weniger Energie zu greifen – das könnte jahrealte Design-Paradigmen einer ganzen Greifroboter-Branche verändern.“ Manoonpong ist Professor für Biorobotik an der SDU und am Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (VISTEC) in Thailand. Viele gemeinsame Ideen entstanden bereits vor einigen Jahren, als Manoonpong auf Einladung Gorbs im Rahmen der Skandinavischen Gastprofessur der CAU ein Semester in Kiel verbrachte.

Schließlich übertrugen die Kieler Forschenden das Greifprinzip der Roboterarme zum ersten Mal auf die Füße von Robotern, um auch damit rundliche Objekte sicher umschließen zu können. Nach ersten Tests an der SDU mit einem einzelnen Roboterfuß wurde in VISTEC anschließend ein kompletter, sechsfüßiger Roboter dazu gebracht, auf zwei Rohren und steinigem Untergrund zu laufen. Die Forschenden stellten hierbei fest, dass sich Roboter mit Querverstrebungen in einem 10-Grad-Winkel schneller und einfacher bewegten und weniger Energie verbrauchten als mit Verstrebungen in einem klassischen 90-Grad-Winkel. „Das könnte zum Beispiel für die Öl- oder Gasindustrie interessant sein“, so Manoonpong.

Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend, basieren aber auf Greifelementen aus einem weichen Material. Als nächstes geht es darum, Greifer aus einem Material zu entwickeln, das sowohl flexibel ist, um sich an Objekte oder unwegsame Untergründe anzupassen, als auch robust und widerstandsfähig, um langfristig unter realen Umweltbedingungen zu bestehen.

Video: Testlauf für sechsfüßigen Roboter und Roboterarm im neuen Design

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Originalpublikation:

Poramate Manoonpong, Hamed Rajabi, Jørgen C. Larsen, Seyed S. Raoufi, Naris Asawalertsak, Jettanan Homchanthanakul, Halvor T. Tramsen, Abolfazl Darvizeh, Stanislav N. Gorb, Fin Ray Crossbeam Angles for Efficient Foot Design for Energy-Efficient Robot Locomotion, Advanced Intelligent Systems (2021). DOI: 10.1002/aisy.202100133 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202100133

Wissenschaftlicher Kontakt:

Professor Dr. Stanislav Gorb
Funktionelle Morphologie und Biomechanik
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)
49 431 880-4513
sgorb@zoologie.uni-kiel.de
www.sgorb.zoologie.uni-kiel.de/

Professor Poramate Manoonpong
Biorobotics
University of Southern Denmark (SDU)
+45 6550-8698
poma@mmmi.sdu.dk
https://portal.findresearcher.sdu.dk/en/persons/poma

Ein Roboter
© Poramate Manoonpong

Mit Füßen nach dem Vorbild von Insekten könnten Roboter auch über unwegsame Untergründe wie Rohre oder Felsen laufen.

Grafik
© Hamed Rajabi

Klassisches Designprinzip für Greifroboter ist der sogenannte Fin-Ray®-Effekt: Wird Druck auf das spitze Dreieck mit den besonderen Verstrebungen ausgeübt, gibt es nicht nach, sondern wölbt sich zurück in die Richtung, aus der der Druck kam.

 

Mikroskopbild
© Stanislav Gorb

Das Kieler Team hat unter anderem die Füße der Heuschrecke Tettigonia viridissima näher untersucht: Im Querschnitt unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigen sich im Inneren ähnliche Verstrebungen wie beim Fin-Ray®-Effekt.

Schematische Darstellungen
© Stanislav Gorb

Auch der Aufbau von anderen Insektenfüßen könnte Erkenntnisse liefern, um Greifarme von Robotern zu verbessern. Die schematischen Darstellungen zeigen verschiedene Typen (v. oben rechts im Uhrzeigersinn): faserartige Verstrebungen, die in den meisten Insektenfüßen zu finden sind; schaumartiger Typus bei der Zikade (Auchenorrhyncha); hierarchischer Typus bei den Laubheuschrecken (Orthoptera) und dünnfädige Art der Honigbienen (Hymenoptera).

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

Pressekontakt:
Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)