Sanfte Greifer: Pneumatische Elastomere als Roboterarme

25.01.2011 - USA

Es sieht aus wie ein Seestern aus weichem Kunststoff. Wird Luft über einen dünnen Schlauch eingeblasen, kommt Leben hinein und der „Seestern“ greift zu wie eine Hand. Das tut er so sanft, dass er beispielsweise ein rohes Ei greifen kann, ohne es zu zerbrechen. Der seesternartige Greifer ist der Prototyp eines pneumatischen „sanften“ Roboterarms aus weichem Kunststoff, den George M. Whitesides und sein Team von der Harvard University (Boston, USA) in der Zeitschrift Angewandte Chemie vorstellen.

Ob in der Produktion von Maschinen oder in der modernen Chirurgie, ob bei der Deaktivierung von Sprengsätzen oder in der unbemannten Raumfahrt – Roboter sind inzwischen in vielen Bereichen unabdingbar. Sind empfindliche Objekte zu handhaben, wie Früchte oder gar innere Organe, ist das mit den konventionellen harten Roboterarmen aber immer eine schwierige Aufgabe. Einfacher könnte es mit weichen Roboterbauteilen laufen.

Whitesides und seine Kollegen wollen diese Idee mit einem neuen Konzept realisieren, das auf pneumatischen Netzwerken („PneuNets“) basiert: In elastische Kunststoffe, so genannte Elastomere, betten sie Kanäle ein. Um eine Stellbewegung zu erreichen, werden diese wie Ballons aufgeblasen. Dabei dehnen sich die Kanäle in diejenige Regionen des Elastomers aus, die am nachgiebigsten sind. In homogenen Elastomeren sind das die Stellen mit den dünnsten Wänden, bei verschiedenen Materialien sind es die Wände aus dem weicheren, elastischeren Material. Damit die prall aufgeblasenen Kammern nebeneinander Platz haben, krümmt sich das ganze Bauteil, sodass die stärker gedehnten Wände außen sind. Für die Herstellung von Prototypen, die zu komplexen Bewegungen in der Lage sind, verbanden die Forscher eine Reihe solcher Komponenten.

Wie das Teil sich verformt, hängt aber nicht nur vom Design sondern auch von den gewählten Materialien ab. Whitesides und seine Kollegen fügten Teile aus zwei verschieden steifen Silikon-Elastomeren zusammen, um die Bewegung gezielt zu „programmieren“. So stellten sie unter anderem seesternartige „Greifer“ her. Aufblasen bringt sie dazu, sich wie die Finger einer Hand fest um einen Gegenstand zu legen und ihn zu ergreifen. Dabei sind sie so sanft, dass man ihnen sogar ein rohes Ei oder eine lebende Maus getrost anvertrauen kann. Anders als bei harten Roboterarmen ist dazu keine aufwendige, fein austarierte Steuerung über Sensoren notwendig.