Viele Roboter können mit ihren Greifarmen andere Objekte fest umschließen ohne dabei großen Druck auszuüben. Das gelingt, weil sie sich besonders gut an die Kontur ihrer Zielobjekte anpassen. Dahinter steckt ein Design-Prinzip aus der Natur, der sogenannte Fin-Ray®-Effekt. „Es ist faszinierend: Drückt man auf eine Seite eines spitzen Dreiecks, biegt es sich nicht von einem weg – was zu erwarten wäre – sondern einem entgegen“, beschreibt Zoologie-Professor Stanislav Gorb von der CAU das Phänomen. Vor rund 25 Jahren hat es der deutsche Biologe Leif Kniese erstmals bei Fischflossen beobachtet: Dank spezieller Querverstrebungen im Inneren passen sich die Flossen optimal an verschiedene Strömungsverhältnisse an.
Besonders guter Kontakt: Heuschreckenfüße dienen als Vorbild
In den Füßen vieler Insekten finden sich ähnliche Verstrebungen. Sie sorgen dafür, dass sie sich besser an Oberflächen anpassen und dort sicher anhaften. „Das ist eine unserer zentralen Forschungsfragen: Warum haften Insekten ohne viel Kraftaufwand so gut an Oberflächen? Wie stellen sie die dafür nötige große Kontaktfläche her?“, fasst Gorb den Fokus seiner Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ an der CAU zusammen.
Mit seinem Kieler Team untersuchte Gorb verschiedene Insektenfüße wie die der Heuschrecke Tettigonia viridissima (Grünes Heupferd). Sie stellten fest: Während die Querverstrebungen in „Fin-Ray“®-Greifarmen immer in einem 90-Grad-Winkel angebracht sind, kommen sie in Insekten mit verschiedenen Winkeln vor. Was für Auswirkungen andere Winkel haben können, war für den Fin-Ray®-Effekt bisher nicht detailliert untersucht worden. Im Rahmen der Studie berechneten die Kieler Forschenden jetzt, welche Kräfte bei unterschiedlichen Winkeln auf die Greifarme und ihre Zielobjekte wirken. Die Ergebnisse ihrer Computersimulationen überprüften sie in Experimenten und Kraftmessungen mit Modellen aus dem 3D-Drucker.
Die speziell gefertigten Roboterfüße passen sich an rundliche Oberflächen an und bieten so festen Halt. [© Poramate Manoonpong]
Besserer Halt bei weniger Energieeinsatz – neues Design für die Greifroboter-Branche?
„Wir sahen, dass Greifarme mit kleineren Winkeln ihre Zielobjekte noch leichter umschließen und dafür auch noch weniger Kraft benötigen“, so Gorb. Erstautor Poramate Manoonpong ergänzt: „Damit wären Roboter zum Beispiel in der Lage, Lebensmittel und andere empfindliche Gegenstände mit etwa 20 Prozent weniger Energie zu greifen – das könnte jahrealte Design-Paradigmen einer ganzen Greifroboter-Branche verändern.“ Manoonpong ist Professor für Biorobotik an der SDU und am Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (VISTEC) in Thailand. Viele gemeinsame Ideen entstanden bereits vor einigen Jahren, als Manoonpong auf Einladung Gorbs im Rahmen der Skandinavischen Gastprofessur der CAU ein Semester in Kiel verbrachte.
Anwendbar für unebene Laufwege in Industrieanlagen
Schließlich übertrugen die Kieler Forschenden das Greifprinzip der Roboterarme zum ersten Mal auf die Füße von Robotern, um auch damit rundliche Objekte sicher umschließen zu können. Nach ersten Tests an der SDU mit einem einzelnen Roboterfuß wurde in VISTEC anschließend ein kompletter, sechsfüßiger Roboter dazu gebracht, auf zwei Rohren und steinigem Untergrund zu laufen. Die Forschenden stellten hierbei fest, dass sich Roboter mit Querverstrebungen in einem 10-Grad-Winkel schneller und einfacher bewegten und weniger Energie verbrauchten als mit Verstrebungen in einem klassischen 90-Grad-Winkel. „Das könnte zum Beispiel für die Öl- oder Gasindustrie interessant sein“, so Manoonpong.
Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend, basieren aber auf Greifelementen aus einem weichen Material. Als nächstes geht es darum, Greifer aus einem Material zu entwickeln, das sowohl flexibel ist, um sich an Objekte oder unwegsame Untergründe anzupassen, als auch robust und widerstandsfähig, um langfristig unter realen Umweltbedingungen zu bestehen.
Die Ergebnisse des Forschungsteams erschienen im Fachmagazin Advanced Intelligent Systems und als Titelgeschichte der aktuellen Printausgabe.