Softe Polymere für die Mensch-Roboter-Interaktion

Roboter kennen die meisten entweder aus Science Fiction-Filmen oder aus Produktionshallen von Unternehmen. Dort haben sie einen programmierten Bewegungsablauf und erfüllen verlässlich ihre Aufgaben. Aber: Sie sind schwer und starr – wer bei ihren festen Bewegungsabläufen im Weg ist, ist im Weg. Aus diesem Grund müssen Roboter entwickelt werden, die eine weichere Oberfläche haben und somit besser für die Interaktion mit Menschen geeignet sind.

Juniorprofessor Gianluca Rizzello entwickelt mit seinem Team der Arbeitsgruppe "Adaptive Polymerbasierte Systeme (APS)" intelligente Polymersysteme, die später in gefühlvolleren Robotern genutzt werden können. Im Interview mit K-Mag spricht Rizzello über die Entwicklung dieser Polymersysteme, darüber, was diese ausmacht und wie sie perspektivisch eingesetzt werden können.

Herr Rizzello, warum werden neue, intelligente Polymersysteme benötigt?

Gianluca Rizzello: In der Aktorik werden heute meist Elektromotoren oder pneumatische oder hydraulische Antriebe eingesetzt. Obwohl diese Systeme in der technischen Praxis gut etabliert sind, zeichnen sie sich durch sperrige und komplexe Komponenten wie Kompressoren und Getriebe aus, die für einige Anwendungen ungeeignet sein könnten, beispielsweise wenn Leichtgewicht und Energieeffizienz die Hauptanforderungen darstellen. Intelligente Polymersysteme bieten die Möglichkeit, diese Beschränkungen zu überwinden, indem sie eine neuartige Familie von leichten und multifunktionalen mechatronischen Systemen bereitstellen, deren Leistung mit Standard-Aktuatortechnologien nicht erreicht werden kann. Einige Beispiele sind energieeffiziente Pumpen und Ventile, weiche Roboter für die sichere Zusammenarbeit mit dem Menschen, tragbare Sensoren und Schnittstellen sowie flexible Lautsprecher, die an gekrümmten Oberflächen angebracht werden können.

Was sind dielektrische Elastomere und was zeichnet sie aus?

Rizzello: Dielektrische Elastomere bestehen aus gummiartigem Material, das sich ausdehnt, wenn es einer elektrischen Spannung ausgesetzt wird. Ein einzigartiges Merkmal dielektrischer Elastomere ist die Fähigkeit, sehr große Verformungen von bis zu 100 Prozent und mehr zu ertragen. Darüber hinaus weisen diese Materialien eine Eigenschaft auf, die als Selbstsensorik bezeichnet wird – sie können gleichzeitig als Aktoren und Sensoren verwendet werden. Große Verformungen und Selbstabtastung sowie geringes Gewicht, Energieeffizienz, hohe Geschwindigkeit und niedrige Kosten machen die dielektrischen Elastomere zu einer einzigartigen Antriebstechnologie.

Wieso sind diese Polymere besonders für die Entwicklung von gefühlvollen Roboterarmen geeignet?

Rizzello: Die inhärente Weichheit dielektrischer Elastomere macht den Roboter auch sicherer in der Nähe von Menschen, sodass moderne Paradigmen der Mensch-Roboter-Kooperation umgesetzt werden können. Der Schlüssel zur Entwicklung intelligenter Polymerroboter liegt jedoch in der Selbsterfassung. Nur wenn wir die Polymerroboter mit einem intelligenten Algorithmus – sozusagen einem Gehirn – kombinieren, sind sie in der Lage, die "Nervensignale" richtig zu interpretieren und in "Muskel"-Befehle umzuwandeln. Und erst dann können wir die Intelligenz, die diese Systeme bereitstellen, wirklich nutzen. Dieses Paradigma ist der Schlüssel zur Entwicklung einer neuen Generation von intelligenten, sicheren und autonomen Robotertechnologien.

Wo könnten die Polymere perspektivisch noch zum Einsatz kommen?

Rizzello: Intelligente Polymersysteme können praktisch in allen mechatronischen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen hohe Energieeffizienz, geringes Gewicht und Sicherheit erforderlich sind. Neuartige Softroboter und Wearable Technologies sind primäre Beispiele, bei denen diese Anforderungen grundlegend sind.

Gleichzeitig können dielektrische Elastomere oft verwendet werden, um aktuelle Aktuatortechnologien, beispielsweise Motoren, durch gleichwertige künstliche Muskeln zu ersetzen, die mehr Energieeffizienz bieten, ohne die dynamische Leistung zu verringern. Meine Forschungsgruppe und ich haben in der Vergangenheit beispielsweise daran gearbeitet, herkömmliche Magnetventile und Pumpen durch gleichwertige dielektrische Elastomersysteme zu ersetzen, wodurch Energieeinsparungen von bis zu 99 Prozent erzielt werden konnten. Dieses Ergebnis zeigt, wie polymere Aktuatoren als Schlüsselkomponente für die Entwicklung neuartiger und nachhaltigerer Technologien der Zukunft eingesetzt werden können.

Was denken Sie, wie sich die Forschung zu intelligenten Polymersystemen in der Zukunft weiterentwickeln wird?

Rizzello: In den letzten zwei Jahrzehnten wurden bedeutende Forschungsarbeiten zu dielektrischen Elastomeren durchgeführt. Einerseits haben Materialwissenschaftler robustere und zuverlässigere Materialien entwickelt, die sich für den Einsatz in realen Umgebungen eignen. Andererseits haben Ingenieure diese Materialien zur Entwicklung zahlreicher mechatronischer Systeme wie zum Beispiel Aktuatoren oder Robotern verwendet. Was derzeit wirklich fehlt, ist die Verfügbarkeit intelligenter Algorithmen, die diese Systeme effizient und autonom steuern können. Einige wenige Forscher, darunter auch meine Gruppe und ich, haben bereits einige dieser Algorithmen für sehr einfache Arten von dielektrischen Elastomersystemen wie eindimensionale Ventile entwickelt. Die Entwicklung von KI-Algorithmen, die in der Lage sind, mit komplexeren Systemen umzugehen, die von Dutzenden künstlicher Polymermuskeln angetrieben werden, ist noch ein offenes Forschungsthema.  Erst wenn wir richtig verstehen, wie man solche Systeme entwirft und steuert, werden wir in der Lage sein, das Potenzial der intelligenten Polymersysteme wirklich zu nutzen.