Um die Bewegungen von Menschen und Tieren effektiv nachzubilden, sollten Roboter muskelähnliche Strukturen integrieren. Diese künstlichen Muskeln sollen über alle relevanten Betätigungsparameter, einschließlich Energiedichte, Dehnung, Spannung und mechanische Festigkeit, eine optimale Leistung erzielen.
Forscher des KAIST und der Pusan National University in Südkorea haben kürzlich einen Aktuator für Roboteranwendungen entwickelt, der von Skelett- und Muskelstrukturen von Säugetieren inspiriert ist. Dieser Aktuator, der in einem Artikel vorgestellt wurde, der in veröffentlicht wurde Natur Nanotechnologiebasiert auf weichen Fasern mit starken kontraktiven Auslöseeigenschaften.
„Ich habe während eines akademischen Treffens mit Prof. Suk Kyun Ahn, einem der Co-Autoren der Veröffentlichung, von Aktuatoren aus Flüssigkristallelastomeren (LCE) erfahren“, sagte Sang Ouk Kim, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben Phys.org. „LCEs sind vielversprechende weiche Aktuatormaterialien mit ungewöhnlich großer reversibler Dimensionsänderung (Schrumpfung/Relaxation) bei Betätigung, die bei anderen Arten von Aktuatormaterialien selten beobachtet wird, aber von großer Bedeutung ist, um das natürliche Skelettmuskelverhalten ideal nachzuahmen.“
Viele in der Vergangenheit entwickelte Aktuatoren basieren auf LCE-Materialien, einer Klasse von Polymeren, die ihre Form als Reaktion auf Umweltreize schnell ändern können. Trotz ihrer formverändernden Vorteile sind LCE-Polymere bekanntermaßen mit relativ schlechten mechanischen Eigenschaften und einem schwachen Betätigungsverhalten verbunden.
Um diese Einschränkung zu überwinden, beschlossen Kim und Prof. Ahn, superstarke Graphen-Füllstoffe in LCE-Aktuatoren zu integrieren. Zusätzlich zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften erwartete das Team, dass die Graphen-Füllstoffe aufgrund der photothermischen Umwandlungsfähigkeit von Graphen eine lichtgesteuerte, schnelle und fernsteuerbare Betätigung ermöglichen.
„Reine LCE-Aktuatoren erfordern im Allgemeinen eine Temperaturerhöhung, was normalerweise ein zeitaufwändiger Prozess ohne spezifische räumliche Steuerbarkeit ist, um eine Betätigung auszulösen, die durch den ausgerichteten Zustand des Flüssigkristalls in einen isotropen, zufällig aufgerollten Zustand von LCE-Molekülen getrieben wird“, erklärte Kim.
Die von den Forschern entwickelten Aktuatoren basieren auf weichen Fasern und enthalten Graphen-Füllstoffe, die fein in die Matrix des LCE-Materials eingearbeitet sind. Wenn ein Laserlicht auf die Faser einwirkt, erhöht der mit dem Graphen-Füllstoff verbundene photothermische Umwandlungseffekt sofort die Temperatur der umgebenden LCE-Matrix. Dies führt dazu, dass sich LCE-Moleküle von einem Flüssigkristall-ausgerichteten Zustand in einen sogenannten isotropen zufällig gewundenen Zustand verschieben, was letztendlich dazu führt, dass die Länge der Fasern im makroskopischen Maßstab schrumpft.
„Sobald die Laserbeleuchtung entfernt wird, stellt die Faser die ursprüngliche Länge wieder her, während die LCE-Matrix sofort abgekühlt wird“, sagte Kim. „Der synergistische Einbau eines geringen Anteils (~0,3 Gew.-%) starker Graphen-Füllstoffe stärkt das Aktuatormaterial selbst sowie seine Betätigungsleistung. Die durch Graphen-Füllstoffe ermöglichte schnelle photothermische Umwandlung erreicht auch eine reversible, schnelle Hochleistungsbetätigung, was möglich ist leicht fernsteuerbar durch externe Lichtmanipulation.“
Eine der wertvollsten Eigenschaften des von Kim und seinen Kollegen entwickelten Aktuators ist die reversible Perkolation des darin enthaltenen Graphen-Füllstoffnetzwerks. Durch dieses Verfahren können die Fasern reversibel geschrumpft und wieder in ihre ursprüngliche Größe entspannt werden, während die hohe mechanische Festigkeit über den gesamten Betätigungszyklus sichergestellt wird.
„Die große reversible Schrumpfung/Relaxation der Längsfaserbetätigung induziert eine reversible Montage und Demontage des Graphen-Füllstoffnetzwerks innerhalb des zusammengesetzten Aktuatorvolumens“, sagte Kim.
„Dieses beispiellose Verhalten stärkt den Aktuator erheblich, insbesondere im geschrumpften betätigten Zustand, und bewirkt die faszinierende Modulation der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom Betätigungszustand, die der EMG-Signalerzeugung natürlicher Muskeln ähnelt. Bemerkenswert ist die inhärente mechanische Schwäche des LCE-Aktuators gerade im betätigten geschrumpften Zustand ist seit langem die entscheidende Herausforderung für den praktischen Einsatz von LCE-Aktuatoren.“
Die Forscher bewerteten ihren Aktuator in einer Reihe von Tests und stellten fest, dass sie vielversprechende Ergebnisse erzielten. Tatsächlich zeigten sie sowohl die vorteilhaften formverändernden Eigenschaften von Aktuatoren auf Basis von LCE-Materialien als auch eine robuste und reversible Betätigungsbelastung.
„Unser Aktuator erreicht schließlich eine praktisch sinnvolle Betätigungsleistung, die die natürlicher tierischer Muskeln in vielerlei Hinsicht übertrifft, einschließlich Betätigungsbelastung, Stress, Energiedichte und Kraft“, sagte Kim. „Künstliche Muskeln, die in früheren Arbeiten vorgestellt wurden, erzielten manchmal überlegene Leistungen in einem oder einigen dieser Merkmale, aber es gab noch keinen Bericht über diese Art von rundum überlegener Leistung im Vergleich zu natürlichen Muskeln.“
Kim und seine Kollegen demonstrierten schließlich das Potenzial ihrer Aktuatoren, indem sie sie auf Softrobotern implementierten und ihre Leistung bei einer Reihe von Aufgaben bewerteten. Sie fanden heraus, dass die Roboter in der Lage waren, verschiedene menschliche und tierische Bewegungen nachzuahmen, zum Beispiel das Heben einer 1-kg-Hantel, das Biegen einzelner Finger an einer künstlichen Hand und die Reproduktion der Bewegung von Inchworms.
Interessanterweise testete das Team einen Roboter-Inchworm, der auf seinem Aktuator basiert, indem er ihn mit einem lebenden Inchworm „rennen“ ließ. Ihr System gewann das Rennen und unterstrich das Potenzial ihres Aktuators auf Einzelfaserbasis für die Entwicklung superstarker und leistungsstarker Roboter, bionischer Prothesenwerkzeuge und vielleicht sogar rekonfigurierbarer intelligenter Kleidung.
„Die nächste große Herausforderung wird sein, unseren künstlichen Muskel mit neuronaler Aktivität zu integrieren“, fügte Kim hinzu. „Wenn eine einzelne Aktuatorfaser spezifisch steuerbar ist und eine neutrale Steuerung nachahmt, sollten natürliche tierische, anspruchsvolle Bewegungen und Fortbewegung möglich sein, während sie mit dem menschlichen Gehirn oder der KI verbunden sind. Derzeit beruhen die meisten Aktuatoren auf harten mechanischen Systemen. Unser zusammengesetzter weicher Aktuator wäre ein vielversprechender Kandidat dafür die sich mit den inhärenten Einschränkungen traditioneller mechanischer Betätigungssysteme, wie z. B. hohes Gewicht und mechanische Steifigkeit, befassen und eine wirklich natürliche, tierische, weiche Robotik erreichen.
Mehr Informationen:
In Ho Kim et al., Vom menschlichen Muskel inspirierter Einzelfaseraktuator mit reversibler Perkolation, Natur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01220-2
© 2022 Science X Netzwerk