Das Roboterbein kann hohe Sprünge und schnelle Bewegungen ausführen sowie Hindernisse ohne komplexe Sensoren erkennen und darauf reagieren. Entwickelt haben es Forschende der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) im Rahmen der Forschungspartnerschaft namens Max Planck ETH Center for Learning Systems, kurz CLS. Das CLS-Team wurde von Robert Katzschmann von der Soft Robotics Lab, ETH Zürich und Christoph Keplinger vom MPI-IS geleitet

Herkömmliche Roboterbeine werden mit einem elektromagnetischen Drehmotor angetrieben (links), während die Forschenden beim muskuloskelettalen System elektrohydraulische Aktuatoren – künstliche Muskeln – verwenden (rechts).

© Thomas Buchner / ETH Zürich und Toshihiko Fukushima / MPI-IS

Wie bei Mensch und Tier sorgen auch beim Roboterbein ein Streck- und ein Beugemuskel dafür, dass Bewegungen in beide Richtungen möglich sind. Diese elektrohydraulischen Aktuatoren, die die Forscher ‚Hasels‘ nennen, sind über Sehnen am Skelett befestigt. Die Aktuatoren sind mit Öl gefüllte Kunststoffbeutel. Etwa die Hälfte des Beutels ist beidseitig mit einer schwarzen Elektrode, also einem leitfähigen Material, beschichtet. Sobald Spannung an die Elektroden angelegt wird, ziehen sie sich aufgrund statischer Elektrizität gegenseitig an. Wird die Spannung erhöht, ziehen sich die Elektroden näher zusammen und schieben das Öl im Beutel auf eine Seite, wodurch der Beutel insgesamt kürzer wird. Paare dieser Aktuatoren, die an einem Skelett befestigt sind, führen zu den gleichen paarweisen Muskelbewegungen wie bei Lebewesen: Wenn sich ein Muskel verkürzt, verlängert sich sein Gegenstück. Über einen Computercode, der mit Hochspannungsverstärkern kommuniziert, steuern die Forschenden, welche Aktuatoren sich zusammenziehen und welche sich verlängern sollen.

Effizienter als Elektromotoren

Müssen Roboterbeine eine bestimmte Position lange halten, fließt viel Strom durch den antreibenden Gleichstrommotor (links). Mit der Zeit geht Energie in Wärme verloren. Im Gegensatz dazu bleiben die künstlichen Muskeln kalt (rechts). Die künstlichen Muskeln arbeiten mit dem Prinzip der Elektrostatik und sind effizient, da sie keinen Stromfluss bei konstanter Belastung haben.

© Thomas Buchner / ETH Zürich und Toshihiko Fukushima / MPI-IS

Die Forschenden verglichen die Energieeffizienz ihres Roboterbeins mit der eines herkömmlichen Roboterbeins, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Sie untersuchten dazu unter anderem, wie viel Energie unnötig in Wärme umgewandelt wird. »Auf dem Infrarotbild sieht man schnell, dass das Motorbein viel mehr Energie verbraucht, wenn es zum Beispiel in einer gebeugten Position gehalten werden muss«, erklärt Doktorand Thomas Buchner. Im Gegensatz dazu bleibe die Temperatur im elektrohydraulisch angetriebenen Bein gleich, was daran liege, dass der künstliche Muskel elektrostatisch ist. »Elektrische Motoren brauchen eine Hitzeregulierung, wodurch zusätzliche Kühlaggregate oder Ventilatoren für das Ableiten der Wärme in die Luft notwendig sind. Unser System benötigt solche Komponenten nicht«, ergänzt Doktorand Toshihiko Fukushima.

Agile Fortbewegung über unebenes Terrain

Die Sprungfähigkeit des Roboterbeins beruht auf seiner Fähigkeit, sein eigenes Gewicht explosionsartig anzuheben. Die Forschenden konnten auch zeigen, dass das Roboterbein über eine hohe Anpassungsfähigkeit verfügt, was für die Soft Robotik besonders wichtig ist. Nur wenn der Bewegungsapparat genügend Elastizität aufweist, kann er sich agil an das jeweilige Terrain anpassen

Während ein Sensor dem Elektromotor ständig mitteilen muss, in welchem Winkel sich das Roboterbein befindet, passt sich der künstliche Muskel adaptiv durch die Interaktion mit der Umgebung an. Als Antrieb erhält er konstant die gleichen zwei Eingangssignale: eines für die Beugung und eines für die Streckung des Gelenks. Fukushima erklärt: »Die Anpassungsfähigkeit an das Terrain ist ein zentraler Aspekt. Wenn eine Person in die Luft springt und landet, muss sie sich nicht erst überlegen, ob sie ihre Knie im 90- oder im 70-Grad-Winkel beugen soll.« Dasselbe Prinzip gelte für das muskuloskelettale Roboterbein: Ist die Umgebung weich, erreicht das Roboterbein einen anderen Gelenkwinkel als bei hartem Untergrund.

Technologie eröffnet neue Möglichkeiten

Das Forschungsfeld der elektrohydraulischen Aktuatoren ist noch jung und existiert erst seit rund sechs Jahren. Katzschmann sagt, dass elektrohydraulische Aktuatoren wahrscheinlich nicht in schweren Maschinen auf Baustellen zum Einsatz kommen werden, sie aber spezifische Vorteile gegenüber Standard-Elektromotoren bieten, insbesondere in Anwendungen mit Roboterhänden, wo die Bewegung sehr individuell und adaptiv sein muss, je nachdem, ob es sich zum Beispiel um einen Ball, ein Ei oder eine Tomate handelt. Er schränkt allerdings ein: «Das aktuelle System ist im Vergleich zu Laufrobotern mit Elektromotoren noch limitiert. Derzeit ist das Bein an einer Stange befestigt, hüpft im Kreis und kann sich noch nicht frei bewegen.« Zukünftige Arbeiten sollen diese Einschränkungen überwinden, so dass echte Laufroboter mit künstlichen Muskeln entwickelt werden können. Katzschmann führt weiter aus: »Wenn wir die Technologie des Roboterbeines zu einem vierbeinigen Roboter oder einem humanoiden Roboter mit zwei Beinen kombinieren, können wir es eines Tages, sobald es batteriebetrieben ist, auch als Rettungsroboter einsetzen.«