Forscher entwickeln die fehlende Komponente in Robotertextilien

Seit Jahren besteht der Haken bei der Soft-Robotik darin, dass vieles davon eine Art Pumpe erfordert, die bisher nur in konventionelleren, nicht tragbaren Formen erhältlich war. Sensoren, Aktoren sowie Geräte zur Energiespeicherung und -erzeugung wurden alle in Form von weichen Fasern entwickelt, die nahtlos in Kleidung eingewebt werden können. Den entwickelten weichen Pumpen fehlt jedoch die Strömungskraft, um sie wirklich nützlich zu machen, und sie wurden nicht als Fasern hergestellt.

Bericht über ihre Ergebnisse in Wissenschaft, Michael Smith, Vito Cacucciolo und Herbert Shea an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz haben eine weiche Hydraulikpumpe entwickelt, die nicht nur die bisher erreichte Fluidleistung um den Faktor zehn übertrifft, sondern auch die Form einer Faser hat.

„Die hydraulische Betätigung ist interessant, weil sie weich und nachgiebig ist und man sie am Körper anbringen kann“, sagt Shea. Er und seine Kollegen waren vor allem von langfristigen Zielen motiviert, ein weiches, bequemes Exoskelett zu entwickeln, das jemand beispielsweise zur Rehabilitation oder Kraftunterstützung tragen oder jemandem mit eingeschränkter Mobilität das Gehen ermöglichen könnte.

Die Faserpumpe arbeitet auf Basis der Elektrohydrodynamik, ein Prinzip, das sie mit a teilt dehnbare Pumpe die Sheas Gruppe im Jahr 2019 demonstrierte. Während diese Pumpe Elektroden hatte, die sich entlang der Innenseite eines mit Flüssigkeit gefüllten Kanals wie ineinander verschlungene Finger abwechselten, enthält die Faserpumpe positive und negative Elektroden, die um die Innenseite eines mit Flüssigkeit gefüllten Schlauchs gewickelt sind. Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ionisiert Moleküle in der Flüssigkeit und beschleunigt sie das Rohr hinauf. Wenn umgebende Moleküle von den ionisierten Molekülen eingeholt werden, verschiebt sich die Flüssigkeit im Rohr nach oben und erzeugt Druck.

Der Mechanismus der Pumpe beruht darauf, dass die Elektroden an der Innenseite des Schlauchs so an Ort und Stelle gehalten werden, dass ein direkter Kontakt zwischen ihnen und der Flüssigkeit besteht, damit sie Ladung in sie injizieren können. Trotz der Herausforderung fanden die Forscher einen eleganten Weg zur erforderlichen Geometrie, indem sie das Rohrmaterial und die Elektroden um einen Dorn zusammendrehten.

„Jede Metrik, die Sie sich vorstellen können, um eine Pumpe zu messen, wird mindestens um den Faktor 10 besser, wenn Sie sie in eine Faser verwandeln“, sagt Smith, der die Wickelgeometrie entwickelt hat, und nennt Verbesserungen bei Druck, Durchflussrate, Effizienz und Leistung. Dies ist vor allem dem kontinuierlichen Pumpen entlang des Schlauchs zu verdanken, das die spiralförmige Struktur ergibt, was zu einem gleichmäßigeren Flüssigkeitsfluss führt, erklärt Shea.

Die zylindrische Symmetrie verringert auch die Fluidimpedanz, während die Drähte auch eine ionisierendere Feldverteilung als flache Elektroden bereitstellen können. Der Sprung in der Fluidleistung des Geräts war für die Forscher eine willkommene Überraschung, da – wie Smith betont – die Pumpe aufgrund der gesamten beteiligten „gekoppelten Physik“ sehr schwer genau zu simulieren ist.

Ein haptisches Erlebnis

Die Pumpe ist noch ein wenig von der Effizienz entfernt, die für ein weiches Exoskelett erforderlich ist, aber die Forscher haben gezeigt, wie effektiv sie sein kann, um haptische Reize zu erzeugen – das Gefühl, ein Objekt zu berühren. Das summende Gefühl beim Tippen auf einem Touchscreen ist ein alltägliches Beispiel für taktile Haptik, aber, wie Shea betont, „ist ein Großteil dessen, wie wir die Welt wahrnehmen, tatsächlich Wärmeleitfähigkeit.“ In einer virtuellen Welt kann die Nachbildung dieser thermischen Erfahrungen das Gefühl des Eintauchens verbessern, aber es war schwierig zu implementieren. Die Faserpumpen können gekühlte Flüssigkeit lokal zirkulieren lassen und lokale thermisch-haptische Reize erzeugen, ohne dass eine große Anzahl separater Pumpen und Ventile erforderlich sind.

Jun Zou ist Professor am State Key Lab of Fluid Power and Mechatronic Systems in China, der auch an weichen Pumpen gearbeitet hat. Obwohl er nicht an dieser Forschung beteiligt ist, beschreibt er sie als „eine effektive Integration von Betätigung und Nähbarkeit für tragbare Anwendungen“.

Andreas Conn, ein ebenfalls nicht beteiligter Experte für Softrobotik an der University of Bristol in Großbritannien, bezeichnet die Arbeit als „einen aufregenden Schritt“ hin zu bequemen tragbaren Technologien zur körperlichen Unterstützung und Wärmeregulierung. Er hebt die einfache Herstellungsmethode hervor, die die Länge der hergestellten Faserpumpe vergrößern kann. „Dies sollte dazu beitragen, diese Technologie viel schneller aus dem Labor heraus und in praktische tragbare Anwendungen zu überführen“, fügt er hinzu, obwohl er auch darauf hinweist, dass die großen elektrischen Felder und das spezialisierte gepumpte Fluid Einschränkungen des aktuellen Designs darstellen könnten.

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„Wir arbeiten zwar mit Hochspannung, aber der Stromverbrauch der Pumpen ist sehr gering“, antwortet Smith. Er fügt hinzu, dass die Faserpumpen batteriebetrieben sein können und einen Strom führen, der weit unter allen Sicherheitsschwellen für menschliche Interaktion liegt.

Die Forscher haben gezeigt, dass die Faserpumpen den erforderlichen Druck ausüben können, um künstliche Muskeln zu aktivieren, thermische haptische Reize in Handschuhen zu geben und aktiv kühlende Kleidungsstücke herzustellen. In Zukunft hoffen sie, die Auswahl der von ihnen verwendeten Flüssigkeiten zu erweitern, aber sie suchen jetzt hauptsächlich nach Möglichkeiten, die Effizienz der Faserpumpen zu verbessern, sie länger zu machen und sie mit anderen aktiven Fasern wie Sensoren und Aktoren zu verweben eines Tages ein weiches und bequemes Exoskelett produzieren.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/researchers-develop-the-missing-component-in-robotic-textiles/