Das von Josie Hughes geleitete CREATE-Labor der EPFL kann einen Durchbruch auf dem Gebiet der flexiblen Robotik vorweisen. Inspiriert von den vielseitigen Bewegungen des Rüssels eines Elefanten und den Tentakeln eines Oktopus hat das Team einen reduzierten Helikoid entworfen, eine innovative Roboterstruktur, die mehr Flexibilität und Kontrolle in der Robotik verspricht. Die Wissenschaftler stützten sich sowohl auf kluge Beobachtungen aus der Biologie als auch auf numerische Modelle und enthüllten nun einen flexiblen Roboterarm, der schwierige Aufgaben bewältigen kann und dabei sicher mit den Menschen um ihn herum interagiert. Die Ergebnisse, die sowohl die Struktur als auch die Methodik detailliert beschreiben, sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit mit dem Department of Cognitive Robotics der Delft University of Technology in den Niederlanden. Sie wurden in npj Robotics, der neuen Zeitschrift von Nature, veröffentlicht.
Professorin Hughes betonte die Bedeutung dieser Entwicklung: "Durch die Erfindung einer neuen architektonischen Struktur, der reduzierten Helix, haben wir einen sicheren, leicht zu steuernden Roboterarm entwickelt, der eine Vielzahl von Bewegungen ausführen kann. Wenn diese innovative Architektur mit Aktuatoren kombiniert wird, die über die gesamte Struktur oder das gesamte Gerät verteilt sind, verfügt dieser Roboterarm über einen großen Bewegungsbereich und eine hohe Genauigkeit und interagiert von sich aus sicher mit Menschen."
Während herkömmliche Roboter starr sind und daher nicht immer in der Lage sind, schwierige Aufgaben auszuführen oder in unmittelbarer Nähe von Menschen zu interagieren, wurde der flexible Roboterarm von CREATE für eine sichere Interaktion mit Menschen und eine breite Palette von Aufgaben entwickelt. Durch die Kombination von Flexibilität und Präzision in einem bisher unbekannten Ausmaß reduziert die Flexibilität des Arms die Risiken bei der Interaktion zwischen Mensch und Roboter. Der Roboter könnte im Gesundheitswesen, in Altenheimen und in vielen anderen Bereichen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu seinen starren Pendants kann sich der flexible Roboterarm an verschiedene Formen und Oberflächen anpassen, was ihn ideal für komplexe Aufgaben wie das Pflücken von Früchten oder das Heben von zerbrechlichen Gegenständen macht. In der Industrie könnte er neben menschlichen Arbeitern an sorgfältigen Fließbändern eingesetzt werden und deren Fähigkeiten erweitern, anstatt sie zu ersetzen. Seine Fähigkeiten könnten auch in der Landwirtschaft während der Haupterntezeit zum Einsatz kommen, wenn er Menschen entlasten könnte.
Das Forschungsprogramm zeichnet sich durch die innovative Architektur des Roboterarms aus. Die Forscherinnen und Forscher haben eine federähnliche Spirale, die sie "Helix" nennen, auf kreative Weise verändert, indem sie bestimmte Teile reduzierten, um ihr verschiedene Funktionen zu verleihen. Dieser scheinbar einfache Vorgang ermöglichte es ihnen, die Flexibilität oder Steifigkeit der Spirale in verschiedene Richtungen genau zu steuern. Indem sie ihre Form anpassten, konnten sie den inneren Teil quetschfest und den äußeren Teil flexibel genug machen, damit sich die Spirale biegen konnte. Mit diesem speziellen Design haben sie einen flexiblen Roboter entworfen, der sich auf neue Weise bewegen und handeln kann und die Fingerfertigkeit und den zarten Tastsinn zeigt, die in der Natur vorkommen, z. B. in einem Elefantenrüssel oder im Tentakel eines Oktopus.
"Durch die Beobachtung dieser Tiere und die Entwicklung einer innovativen architektonischen Struktur versuchen wir, diese in der Natur vorkommende Palette von Bewegungs- und Beherrschungsmerkmalen nachzuahmen", so Josie Hughes. Um dies zu erreichen, stützte sich das Team auf fortschrittliche numerische Modellierungsmethoden, um seine Beobachtungen in greifbare Ergebnisse umzuwandeln. Mithilfe dieser Modelle testeten die Wissenschaftler ihre innovativen spiralförmigen Designs iterativ, um zu einer reduzierten endgültigen Spiralform zu gelangen. Qinghua Guan und Francesco Stella, die die Entwicklung des Roboters leiteten, erläuterten den Design- und Optimierungsprozess: "Wir geben eine bestimmte Oberfläche in das digitale Modell ein, bevor wir es verkleinern und anpassen. Berechnungsmethoden leiten uns an und helfen uns, die optimale geometrische Struktur zu bewerten, um den Arbeitsraum und die Flexibilität zu maximieren." Das Ergebnis? Eine robotische Kreatur, die von der Natur inspiriert ist, aber durch präzisen menschlichen Einfallsreichtum und digitale Modellierung verfeinert wurde. "Letztendlich waren unsere digitalen Modelle so genau, dass wir nur eine einzige Version des Arms bauen mussten."
Die vom CREATE-Labor der EPFL erzielten Fortschritte zeugen von einem Umbruch in der Robotik. Traditionelle Roboteranwendungen, die von starren Mechanismen dominiert werden, könnten sich in Richtung dieses flexibleren und dem menschlichen Körper näherkommenden Ansatzes entwickeln. Für diesen ersten kommerziellen flexiblen Greifer wurde ein Patent angemeldet, und das Start-up-Unternehmen Helix Robotics wurde gemeinsam von der EPFL und der Technischen Universität Delft (Niederlande) gegründet. Wie Josie Hughes treffend zusammenfasst, "haben uns kluge Beobachtungen von Naturphänomenen in Verbindung mit präzisen numerischen Modellen geholfen, das Potenzial der flexiblen Robotik für künftige kommerzielle Anwendungen aufzuzeigen. In Zukunft wollen wir Roboter näher an den Menschen heranbringen, das gegenseitige Verständnis stärken und die Zusammenarbeit zwischen ihnen und uns fördern. Wir hoffen, dass dieser flexible Roboterarm eine Zukunft ermöglicht, in der Maschinen besser als je zuvor assistieren, ergänzen und die menschlichen Bedürfnisse verstehen."
Professorin Josie Hughes wird den Roboter Helix und mehrere andere ihrer Kreationen am Schweizer Robotiktag ( Swiss Robotics Day ) an der ETHZ am 3. November vorstellen. Viele weitere Professoren der EPFL werden ihre Arbeiten vorstellen. Der Tag ist dem Besten gewidmet, was die Schweizer Robotik in der Industrie, bei Start-ups, Universitäten, Forschungslabors, gemeinnützigen Organisationen und der Regierung zu bieten hat. Die Veranstaltung umfasst hochkarätige Redner (Boston Dynamics, Disney) und Panelisten, sowie Präsentationen von Startups und über 50 Ausstellungsstände mit Live-Demonstrationen.
