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Medizintechnik

Pneumatische Aktuatoren als Muskel

25.01.2023
von Redaktion O+P Fluidtechnik

Menschliche Muskel oder gar eine komplette Hand künstlich nachzubauen, ist eine komplexe Aufgabe. Italienischen Forschern des Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) ist es aber gelungen, mithilfe von 3D-Druck eine Roboterhand samt Handgelenk herzustellen, die dem schon sehr nahekommt. Um das zu erreichen, entwickelten sie geometriebasierte Aktuatoren.

Bei aller Begeisterung für die Technik – die Natur ist etwas Wunderbares. Schaut man sich die (menschliche) Muskulatur an, fragt man sich unwillkürlich, wie so etwas technisch nachzubauen ist. Allerdings sind künstliche Aktuatoren laut Forschern bereits so ausgereift, dass sie die gleiche Kontraktionsleistung wie biologische Muskeln erreichen können. Aber die Anmut menschlicher Bewegung in all ihrer Vielfältigkeit nachzubilden, bleibt weiterhin eine Hürde – nicht zuletzt durch die komplexen Anordnungen von Muskeln im menschlichen Körper. Künstliche Muskeln (sogenannte GRACEs) sollen das Problem lösen.

Dem Mensch ganz nahe

Ein Forscherteam des Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) hat dieses Problem derart gelöst, das es von einzelnen pneumatischen Aktuatoren ausgegangen ist. Jeder ihrer Aktuatoren kann sich durch seine geometrische Form, ähnlich einem Faltenbalg mit zusätzlichen Falten, ausdehnen und zusammenziehen. Diese GRACE-Aktormembranen (GeometRy-based Actuators able to Contract and Elongate) bestehen bei den Italienern aus verschiedenen Materialien und lassen sich in unterschiedlichen Größen mithilfe des 3D-Druckverfahrens herstellen. Sie können sich anschließend wie ein menschlicher Muskel dehnen und zusammenzuziehen. Letztendlich ist die Größe dieser Aktuatoren allein durch die verwendete Fertigungstechnologie begrenzt. Die Forscher am IIT sind sich sicher, dass sie die Leistung der Aktuatoren in Bezug auf Verformung sowie Festigkeit variieren und sie auch mit verschiedenen Materialien sowie Technologien drucken können. Erstes sichtbares Ergebnis ist ihre pneumatische Hand, die ein kommerzieller 3D-Drucker in einem einzigen Schritt herstellte.

Das verwendete Material am IIT war ein weiches Harz und umfasst 18 GRACEs in verschiedenen Größen und Formen, so dass ein pneumatischer Druck von wenigen zehntel Bar ausreicht, die Finger zu beugen und die Handfläche oder das Handgelenk zu drehen. Jeder Aktuator wiegt etwa acht Gramm und in eine Roboterhand integriert, kann diese, je nach verwendetem Material, mehr als das 1.000-Fache ihres Gewichts tragen.

GRACEs

GRACEs bestehen grundsätzlich aus einer plissierten Membran und einem einzigen Material. Sie werden von Grund auf so konstruiert, dass sie sich mithilfe eines mathematischen Modells zusammenziehen und ausdehnen können. Die Forscher am IIT druckten ihre GRACEs mit einem Form 3 3D-Drucker von Formlabs. Durch den 3D-Druck waren sie in der Lage, Falten in die Membranen der Geräte zu integrieren, die sich falten und entfalten. Dadurch erreichen sie die Flexibilität und Festigkeit, die sie für wiederholte Verformungen benötigen. Anschließende Tests waren mehr als zufriedenstellend. Abhängig von den Parametern gelang es ihnen, Objekte zu heben, die schwerer waren als sie selbst. So konnte ein acht Gramm schwerer GRACE-Prototyp ein acht Kilogramm schweres Gewicht heben. 18 Aktuatoren unterschiedlicher Größen zu einer Roboterhand verbunden, bestätigte die Vermutung der Forscher, dass es möglich ist, funktionelle Muskeln in einem einzigen Produktionsschritt in 3D zu drucken. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Arbeit im Fachjournal Science Robotics.

Quelle: Instituto Italiano di Tecnologia

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