Von Such- und Rettungseinsätzen bis hin zu orthopädischen Therapien und vielen anderen Anwendungen sind Softroboter und tragbare elektronische Geräte in vielen Bereichen vielversprechend. Allerdings hat es sich als schwierig erwiesen, sie so zu gestalten, dass sie funktional und praktisch einsetzbar sind. Im Labor von Prof. Rebecca Kramer-Bottiglio hat ein Forscherteam eine komplexe Elektronik entwickelt, die sich deutlich über ihre ursprüngliche Form hinaus dehnen kann. Außerdem lässt sich das System leicht an verschiedene Verwendungszwecke anpassen.
Das Feld der dehnbaren Roboter wird oft durch die Schnittstelle zwischen den starren und weichen Komponenten der Geräte behindert. Das heißt, sie benötigen komplexe Schaltkreise, die derzeit zu starr sind, um fest in ihre weichen Körper integriert zu werden. Infolgedessen verbinden die Entwickler ihre Geräte mit externen Leiterplatten, was zu Lasten der Funktionalität der Geräte geht.
Zu diesem Zweck entwickelten die Forscher in Kramer-Bottiglios Labor dehnbare Versionen eines Arduino – einer weit verbreiteten Open-Source-Elektronikplattform – und bauten sie in Softroboter ein. Diese Geräte lassen sich nicht nur erheblich dehnen und funktionieren dennoch wie vorgesehen, sondern sind auch skalierbar und leicht reproduzierbar. Es handelt sich um den komplexesten Schaltkreis, der sich nachweislich erheblich dehnen lässt – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von weichen Robotern und tragbaren Geräten, bei denen die Rechenleistung nicht der Dehnbarkeit geopfert werden muss.
Mikrocontroller im Arduino-Stil
Die meisten Softroboter werden heute von starren Mikrocontrollern im Arduino-Stil gesteuert. Um die Diskrepanz zwischen den weichen Materialien der Roboter und den starren Schaltkreisen auszugleichen, versuchen die Designer oft, die Elektronik dort zu platzieren, wo sie bei der Dehnung am wenigsten stört. In Kramer-Bottiglios Labor platzierten die Forscher die Schaltkreise jedoch an besonders stark beanspruchten Stellen, um ihre Robustheit zu demonstrieren. Dies gibt anderen Robotikern mehr Freiheit bei der Gestaltung ihrer Geräte. In den Geräten der Forscher gab es mehr als 70 Kontaktpunkte zwischen starren und weichen Komponenten, die sich bei der Anwendung und den Tests alle dehnten.
„Wir waren in der Lage, die üblichen Hindernisse bei unserem Herstellungsprozess zu überwinden und tatsächlich viele dehnbare Arduinos herzustellen“, sagte Stephanie Woodman, Hauptautorin der Studie und Doktorandin im Labor von Kramer-Bottiglio. Sie erwiesen sich als sehr dehnbar und dehnten sich um das Drei- bis Vierfache ihrer ursprünglichen Form. „Die Demonstrationen markieren insgesamt den Übergang von einmaligen, funktionell begrenzten Vorzeigemodellen zu robusten, zuverlässigen und komplexen mehrschichtigen dehnbaren Schaltkreisen“, so Kramer-Bottiglio, John J. Lee Associate Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaft.
Bei diesem Projekt konzentrierten sich die Forscher darauf, das System zugänglich und für verschiedene Anwendungen einsetzbar zu machen. Um die Allgemeingültigkeit der Methode zu demonstrieren, wendeten sie sie an, um dehnbare Versionen des beliebten Arduino Pro Mini sowie des Arduino Lilypad, des Sparkfun Sound Detector, des Sparkfun RGB und des Gesture Sensor herzustellen. Bei der Entwicklung der Methode waren weder umfangreiche Geräte oder Materialien noch Fachwissen oder Kenntnisse in der Schaltungsentwicklung erforderlich.
Die Forscher begannen mit einem flüssigen Metall auf Galliumbasis. Um das Material lackierbar und einfach zu verwenden zu machen, rührten sie das flüssige Metall, um es dem Sauerstoff auszusetzen. „Dadurch kann es in eine Pastenform übergehen, die sich viel besser strukturieren lässt und eine starke Haftung auf all diesen weichen Substraten und starren elektrischen Komponenten ermöglicht“, so Woodman. Dieses Material wurde dann auf Masken aus Papier aufgetragen, die mit einem Laser in das gewünschte Schaltkreismuster geschnitten worden waren, so dass nach dem Entfernen der Maske die Schaltungskomponenten platziert und die Schicht eingekapselt werden konnte. Alle Materialien, Methoden und Schaltkreisentwürfe der Forscher sind als Open Source verfügbar – ihr Verfahren zur Herstellung dehnbarer Elektronik wird auf dieser GitHub-Seite vorgestellt.
Anwendungsbereiche
Jetzt, da sie diese dehnbaren Schaltkreise entwickelt haben, haben die Robotiker viele Möglichkeiten, sie zu verwenden. „Wir haben sie in mehrere Softroboter eingebaut“, sagt Woodman. „Zum Beispiel steuert man das Tor eines vierbeinigen Roboters, während er sich streckt.“ Sie fügte hinzu, dass die dehnbare Elektronik die Morphologie der Roboter nicht beeinträchtigt. Eine weitere Anwendung sind tragbare Geräte, die zum Beispiel bei verletzten Gliedmaßen helfen.
„Wir haben unseren Schaltkreis direkt am Ellbogen angebracht und gezeigt, wie er sich dehnt“, sagte Woodman und fügte hinzu, dass der Ellbogen eine der schwierigsten Stellen ist, um ein tragbares Gerät anzubringen, da er sich dabei stark dehnt. „Wir stellen also nicht nur wirklich dehnbare Schaltkreise her, sondern zeigen auch, wie diese praktisch in Anwendungsfällen am ganzen Körper und in den weichen Robotern von morgen eingesetzt werden können.
