Berührungsempfindliche Roboter-Metamorphose könnte zu besseren synthetischen Organen führen

3D Hepatic Display
Sheila Zabeu -

August 17, 2023

Ein Roboter, der die Geometrie seiner glatten Oberfläche schnell und präzise verändert, um (1) mit Gegenständen und Flüssigkeiten zu interagieren, (2) auf menschliche Berührungen zu reagieren und (3) Buchstaben und Zahlen anzuzeigen – eine Maschine wie aus einem Science-Fiction-Film. Doch tatsächlich ist diese technische Errungenschaft real.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben zusammen mit der University of Colorado Boulder ein Display für Hochleistungsanwendungen entwickelt, das in Zukunft in Fabrikhallen, klinischen Laboren oder sogar zu Hause eingesetzt werden könnte: Bildschirme mit formveränderlichen Oberflächen sind eine Klasse von Robotergeräten, die Oberflächengeometrien als Reaktion auf eine Betätigung erzeugen. Dabei lässt sich die Formveränderung durch verschiedene Methoden herbeiführen. Die bestehenden Ansätze haben in der Regel jedoch Nachteile, die die Anwendungen einschränken. Dazu gehören die Diskontinuität sowie die hohen Temperaturen der Betätigungsoberfläche. Auch schränkt die Ungenauigkeit der möglichen Oberflächengeometrien die Interaktion ein. Ein weiterer Nachteil ist, dass große externe Geräte wie Magnetplatten, Nachführsysteme oder Pumpen notwendig sind.

Die Wissenschaftler beschreiben die Neuheit als ein „iPad mit einer Oberfläche, die sich verwandeln und verformen kann“. Außerdem verspricht der Ansatz, diese Einschränkungen durch die Integration von Hochgeschwindigkeits-Robotersensoren und -aktuatoren mit natürlicher mechanischer Nachgiebigkeit zu überwinden.

In einer Studie, die am 31. Juli in Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Ingenieure einen Bildschirm entwickelt, der seine Oberfläche verändern kann – seine Größe entspricht einem Spieltisch. Das Gerät besteht aus einem 10-mal-10-großen Gitter mit weichen Roboter-„Muskeln“, die äußeren Druck wahrnehmen und so dazu fähig sind, Muster zu erzeugen. Darüber hinaus kann der Bildschirm den Tastsinn reproduzieren.

Die Innovation basiert auf einer Klasse weicher Roboter, die von einem Team unter der Leitung von Christoph Keplinger entwickelt wurde – Keplinger ist ehemaliger Assistenzprofessor für Maschinenbau an der CU Boulder und jetzt Direktor des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme. Die Bezeichnung für diese Art von Robotern lautet: hydraulisch verstärkte selbstkorrigierende elektrostatische Aktoren (HASEL). Der Display-Prototyp ist noch nicht marktreif. Die Forscher sagen jedoch voraus, dass ähnliche Technologien in Zukunft zu verschiedenen Neuentwicklungen führen könnten. Dazu gehören sensorische Handschuhe, virtuelle Spiele im Unterhaltungssektor oder ein intelligentes Förderband, das beispielsweise Äpfel von Bananen trennt.

„Wir können uns vorstellen, diese Sensor- und Antriebszellen in jeder beliebigen Form und Kombination zu organisieren. Den Möglichkeiten dieser Technologie sind keine Grenzen gesetzt“, erklärt Mantas Naris, leitender Mitautor des Artikels und Doktorand an der Fakultät für Maschinenbau.

Der Ursprung der Arbeit

Das Projekt entstand auf der Suche nach einer anderen Art von Technologie: synthetische Organe. Denn künstliche Organe stellen bei der Entwicklung medizinischer Geräte oder robotergestützter chirurgischer Instrumente eine Unterstützung dar – und das zu wesentlich geringeren Kosten als bei der Verwendung von echtem Tiergewebe, wie Mark Rentschler erklärt. Er ist ebenfalls Mitautor der Studie und Professor für Maschinenbau sowie biomedizinische Technik.

Bei der Entwicklung dieser Technologie kam das Team auf die Idee eines Tischdisplays, das etwa die Größe eines Schachbretts hat und sich aus kleinen, in einem Raster angeordneten Quadraten zusammensetzt. Jedes der 100 Quadrate ist ein HASEL-Aktuator, hergestellt aus Plastiktüten, die in ihrer Form winzigen Ziehharmonikas gleichen. Wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt, bewegt sich die Flüssigkeit in den Beuteln, wodurch sich das Akkordeon ausdehnt und springt. Zudem haben die Aktoren auch weichmagnetische Sensoren, die Berührungen erkennen können.

Andere Forschergruppen haben ähnliche Smartboards entwickelt, die glatter, schneller und kleiner sind. Jeder der „Robotermuskeln“ kann sich bis zu 3.000 Mal pro Minute bewegen.

Nun konzentrieren sich die Entwickler darauf, die Anzahl der Aktoren zu verringern und die Bildschirmauflösung zu erhöhen. Nebenbei arbeiten sie daran, das Display von innen nach außen zu drehen. Ziel dabei ist, einen Handschuh zu entwerfen, mit dem man die Fingerspitzen anstupsen und so Objekte in Virtual-Reality-Umgebungen „erfühlen“ kann.

„Shape-Shifting-Displays sind nicht gerade neu, aber dieses System ist besonders, weil es kleiner, schneller sowie leiser ist und reibungslos funktioniert. Die Anforderungen an die Verarbeitung und den Energieverbrauch sind gering. Darüber hinaus handelt es sich um eine kontinuierliche Oberfläche und nicht um diskrete Punkte. Das ermöglicht uns innovative Fortschritte“, so Rentschler auf der Website IEEE Spectrum. Der Forscher hofft, das System in Zukunft noch kompakter zu gestalten.