Weiche Roboter verwenden elastische, flexible Materialien anstelle von traditionellen starren Materialien. Sie sind in der Lage, sich an komplexe Umgebungen anzupassen, Aufgaben zu erfüllen, die Geschicklichkeit erfordern, und sicher mit Menschen zu interagieren. Soft Robotics, das Forschungs- und Entwicklungsfeld der weichen Robotik, erregt grosse Aufmerksamkeit mit breiten Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, Industrie und im Alltag.
Weiche Fluidaktoren, die aus einer elastischen Matrix mit eingebetteten flexiblen Materialien (z. B. Textilien, Papier, Fasern, Partikel) bestehen, sind in der Robotik-Community aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer Erschwinglichkeit und ihrer einfachen Anpassbarkeit an eine bestimmte Anwendung von besonderem Interesse. Diese Aktoren können schnell in mehrstufigen Gießverfahren hergestellt werden und durch einfache Steuereingänge wie Druckfluide eine Kombination aus Kontraktion, Dehnung, Biegung und Torsion erreichen. Unser Ansatz besteht darin, neuartige Designkonzepte, Herstellungsverfahren und weiche Materialien zu verwenden, um die Leistung dieser Aktoren im Vergleich zu bestehenden Designs zu verbessern. Insbesondere nutzen wir treibende Anwendungen (z. B. Herzunterstützungsgeräte, weiche Roboterhandschuhe), um die Anforderungen an Bewegungs- und Kraftprofile zu definieren. Anschliessend können wir mechanische Intelligenz in diese weichen Aktoren einbetten, um diese Leistungsanforderungen mit einfachen Steuereingängen zu erfüllen.
Die Beschreibung und Vorhersage des Verhaltens von weichen Multi-Material-Aktoren ist aufgrund der Nichtlinearität sowohl der superelastischen Materialien als auch der grossen Biegebewegungen, die sie erzeugen, schwierig. Wir bemühen uns um eine umfassende Beschreibung des Funktionsprinzips dieser Aktoren durch analytische, numerische und experimentelle Methoden und beschreiben ihre Ausgangseigenschaften (Bewegung und Kraft) als Funktion des Eingangsdrucks sowie der geometrischen und materiellen Parameter. Sowohl Modellierung als auch Experimente liefern Einblicke in das Verhalten des Aktors und die Designparameter, die es beeinflussen. Wir gehen davon aus, dass diese Arbeit zu verbesserten Vorhersagemodellen führen wird, die es uns ermöglichen, schnell zu neuen und innovativen Anwendungen dieser weichen Aktoren zu gelangen.
Um weiche Aktoren zu steuern, benötigen wir Mittel, um ihre Kinematik, die Interaktionskräfte mit Objekten in der Umgebung und den Innendruck zu verfolgen. Wir erreichen dies durch den Einsatz von vollständig weichen Sensoren, die mit Kooperationspartnern entwickelt wurden, und miniaturisierten oder flexiblen Sensoren, die während des Herstellungsprozesses in das Aktordesign integriert werden können. Für die Stromversorgung und Steuerung verwenden wir handelsübliche Komponenten wie elektronische Ventile, Pumpen, Regler, Sensoren und Steuerplatinen usw., um den Innendruck in den Kammern des Aktors schnell anzupassen, indem wir eine Rückkopplungssteuerung für Druck, Bewegung und Kraft verwenden. Darüber hinaus können wir die von uns entwickelten analytischen Modelle verwenden, um Zustandsvariablen abzuschätzen, die möglicherweise schwer direkt zu messen sind.
Die Anwendung der Softrobotik im medizinischen Bereich entwickelt sich rasant. Ein typisches Beispiel ist die Herstellung von weichen Roboterhandschuhen zur Unterstützung der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten. Dieses Gerät hilft Patienten, Bewegungsübungen durchzuführen, die Greiffähigkeit zu verbessern und die Handkraft zu stärken.
Eine weitere potenzielle Anwendung der Softrobotik ist die Unterstützung bei der Behandlung von Herzinsuffizienz. Forscher entwickeln Herzunterstützungsgeräte, die keinen direkten Blutkontakt haben und weiche Aktoren verwenden, um Druck auf das Herz auszuüben und den Blutpumpvorgang zu unterstützen.