EPFLs fadenförmiger FiberMotor gleitet wie ein Teleskop und treibt Soft Robots an

Ein Motor, der eher wie ein Faden als wie eine Maschine aussieht

Ingenieure an der EPFL in der Schweiz haben einen flexiblen Motor gebaut, der wie ein Faden aussieht – eine Form, die fast allem widerspricht, was das Wort „Motor" normalerweise hervorruft. Das Gerät, das das Team FiberMotor nennt, ist flexibel statt steif und verlängert sich auf eine Weise, die an die ineinandergleitenden Segmente eines Teleskops erinnert. Die Absicht hinter dem Design ist es, Soft Robots und Wearables anzutreiben – zwei Technologiekategorien, die lange von den starren, kastenförmigen Antrieben in ihrem Kern zurückgehalten wurden.

Das Versprechen ist einfach zu formulieren und schwer zu konstruieren: Wenn die Maschine, die gebaut wird, weich ist, sollte das, was sie bewegt, nicht das härteste Objekt in der Baugruppe sein. FiberMotor ist ein Versuch, diese Lücke zu schließen, indem er beim Aktuator selbst ansetzt, statt Flexibilität als nachträglichen Zusatz um konventionelle Hardware herum zu behandeln.

Warum Soft Robots immer wieder auf harte Motoren stoßen

Die Soft Robotics hat jahrelang Körper entwickelt, die sich biegen, dehnen, empfindliche Objekte greifen und Stöße absorbieren, ohne zu zerbrechen. Die Materialseite des Feldes hat sich schnell bewegt, mit Elastomeren, Geweben und nachgiebigen Strukturen, die sich auf Arten verdrehen und biegen können, wie es Metallgestänge nicht können. Das Problem entsteht im Moment der Aktuierung. Motoren, Getriebe und die Übertragungsleitungen, die sie verbinden, sind typischerweise starr, und sie an einen biegsamen Körper zu schrauben, erzeugt eine mechanische Fehlanpassung.

Diese Fehlanpassung zeigt sich auf mehrere praktische Weisen:

• Die starren Komponenten werden zum schwersten und sprödesten Teil eines angeblich weichen Systems, was begrenzt, wie nachgiebig die gesamte Maschine wirklich sein kann.
• Das Gewicht konzentriert sich an den Gelenken, an denen der Motor sitzt, was die Formen einschränkt, die ein Designer bauen kann, und die Bewegungen, die das Gerät sicher ausführen kann.
• Schnittstellen zwischen steifer Hardware und weichem Material werden zu Verschleißpunkten – den Stellen, an denen ein Gerät am wahrscheinlichsten ermüdet oder versagt.
• Die Sperrigkeit begrenzt, wie genau ein Soft Robot eine biologische Gliedmaße nachahmen kann, die typischerweise über verteilte Muskulatur statt über einen einzelnen dichten Antrieb verfügt.

Ein Motor, der selbst flexibel und fadenartig ist, adressiert diese Fehlanpassung an der Quelle. Statt um einen starren Block herum zu konstruieren, würden Ingenieure mit einem Aktuator arbeiten, der verlegt, gebogen und in eine biegsame Struktur integriert werden kann, ähnlich wie eine Sehne oder ein Kabel.

Das Teleskopverhalten, in einfachen Worten erklärt

Der Vergleich, zu dem die Forscher greifen, ist ein Teleskop, und die Analogie bezieht sich darauf, wie das Gerät seine Länge ändert. Ein Teleskop verlängert sich, indem ineinandergeschachtelte Segmente aneinander vorbeigleiten und so Reichweite gewinnen, ohne einen einzigen starren Körper dieser vollen Länge zu bilden. FiberMotor wird als auf vergleichbare Weise gleitend beschrieben, was auf einen Mechanismus hindeutet, der sich aus einer kompakten, flexiblen Form heraus teleskopartig ausfahren kann, statt auf eine konventionelle Welle oder einen Rotor angewiesen zu sein.

Das ist wichtig für das Bewegungsdesign. Teleskopartige Verlängerung gibt einem weichen System eine Möglichkeit, entlang einer Achse zu reichen, zu drücken oder sich zu verlängern, während der Aktuator selbst nachgiebig bleibt. Für Roboter, die sich in enge Räume erstrecken müssen, oder für Wearables, die den Konturen eines sich bewegenden Körpers folgen müssen, ist ein Aktuator, der seine Länge auf Abruf ändert, ohne eine steife Wirbelsäule aufzuzwingen, ein deutlich anderer Baustein als ein Motor, der mit einer starren Gewindespindel kombiniert wird.

Wearables sind die zweite Hälfte der Wette

Wearable-Technologie hat ein paralleles Problem. Geräte, die am Körper getragen werden, werden nach Komfort, Gewicht und danach beurteilt, wie wenig sie natürliche Bewegung stören, doch angetriebene unterstützende Wearables wurden traditionell aus starren Rahmen und Motoren gebaut, die auffällig an Hüfte, Knie oder Rücken sitzen. Kleidungsnahe Robotik hingegen bräuchte Antriebe, die in Stoff eingewebt oder entlang einer Gliedmaße verlegt werden können, ohne einen Druckpunkt oder eine harte Kante zu erzeugen.

Ein fadenartiger Motor passt konzeptionell zu dieser Vorgabe. Die Textilfertigung handhabt bereits flexible, längliche Materialien in großem Maßstab, sodass ein Aktuator in Form eines Filaments zumindest mit der Art und Weise kompatibel ist, wie Kleidungsstücke hergestellt werden. Dieselben Eigenschaften, die FiberMotor in einem Soft Robot nützlich machen würden – Flexibilität, ein schlankes Profil, die Fähigkeit, sich entlang seiner eigenen Länge zu erstrecken –, sind die Eigenschaften, die ein Wearable-Antrieb benötigen würde.

Was noch nicht geklärt ist

Eine Ankündigung eines Geräts in frühem Stadium lässt die technischen Fragen offen. Die FiberMotor der EPFL wird als flexibler Motor präsentiert, der einem Faden ähnelt und sich teleskopartig für Soft Robotics und Wearables verlängert, doch die Schlagzeilenbeschreibung klärt nicht, wie viel Kraft ein solcher Motor erzeugen kann, wie effizient er Energie in Bewegung umwandelt, wie viele Zyklen er übersteht, bevor die flexiblen Elemente degradieren, oder wie er in einem realen System angetrieben und gesteuert wird.

Das sind die Zahlen, die darüber entscheiden, ob aus einem cleveren Aktuator eine praktische Komponente wird. Weiche Aktuatoren tauschen oft Kraftdichte und Präzision gegen Nachgiebigkeit ein, und die interessante Frage bei FiberMotor ist, wo er in diesem Trade-off landet. Ein Wearable, das ein Gelenk unterstützt, braucht beispielsweise genug Kraft, um relevant zu sein, während ein Soft Robot, der fragile Objekte manipuliert, feine Kontrolle benötigt. Ob ein teleskopierender fadenartiger Motor beides auf nützlichem Niveau liefern kann, ist das nächste, worauf man achten sollte.

Ein vertrautes Muster in der Aktuatorforschung

FiberMotor reiht sich in eine breitere Bestrebung ein, die Aktuierung an die Weichheit der Strukturen anzupassen, die sie antreibt. Forschungsgruppen in Europa, Asien und Nordamerika haben mit künstlichen Muskeln, kabelgetriebenen Sehnen, pneumatischen Kammern und elektrostatischen Aktuatoren experimentiert – alle verfolgen dasselbe Ziel aus unterschiedlichen Blickwinkeln: nachgiebige Maschinen mit nachgiebiger Hardware zu bewegen. Der Beitrag der EPFL fügt dieser Auswahl eine faserförmige, teleskopierende Option hinzu.

Der Wert einer neuen Aktuatorkategorie liegt selten darin, dass sie bestehende Motoren vollständig ersetzt. Er liegt darin, dass sie Designraum eröffnet. Wenn ein Motor so dünn und flexibel wie ein Faden sein kann, müssen Roboter-Gliedmaßen, Exosuits und Wearable-Hilfen nicht mehr um einen starren Antrieb an einem Gelenk herum organisiert werden. Sie können um verteilte, textilkompatible Aktuierung herum organisiert werden – näher daran, wie biologische Muskulatur angeordnet ist.

Vorerst ist FiberMotor eine vielversprechende Form statt ein bewiesenes Produkt. Der Faden gleitet, das Teleskop fährt aus, und die genannten Anwendungen sind Soft Robots und Wearables. Die bevorstehende Arbeit ist der wenig glamouröse Teil: Haltbarkeit, Leistung und Steuerung messen und dann zeigen, dass sich das Gerät in einer tatsächlichen Maschine zuverlässig verhält.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Interesting Engineering. Lesen Sie den Originalartikel.