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Bild der Woche

Pneumatischer Kunstgriff

pneumatische Hand
© IIT-Istituto Italiano di Tecnologia

Diese künstliche Hand kommt direkt aus dem 3D-Drucker. Das Besondere: Ihre künstlichen Muskeln, die wie kleine faltige Kugeln aussehen, können mithilfe von Druckluft gesteuert werden.

In der Bionik, einem Teilgebiet der Robotik, versuchen Wissenschaftler, Mechanismen der Natur zu imitieren. Während einige Bereiche schon sehr erfolgreich nachgeahmt wurden, ist es bis heute eine Herausforderung, die Struktur und die Funktion von Muskelfasern nachzubauen. Das liegt unter anderem daran, dass Muskelstränge in der Natur eine Vielzahl unterschiedlichster Anforderungen erfüllen müssen. So gibt es Muskelgruppen, die sich besonders schnell oder stark zusammenziehen können, aber auch solche, die nur kleine aber sehr präzise Bewegungen vollführen, wie beispielsweise Muskeln im menschlichen Gesicht, die für die Mimik zuständig sind. Spezielle Anordnungen von Muskelgruppen können zudem dafür sorgen, dass sich etwas dreht, verbiegt oder hin und her bewegt.

Bevor solche komplexen Bewegungen in der Robotik realisiert werden können, benötigt es erst eine künstliche Muskelstruktur, die in der Lage ist, die Anforderungen an Stärke und Präzision zu erfüllen. Corrado De Pascali vom Italienischen Institut für Technologie in Genua hat mit seinem Team nun eine Struktur vorgestellt, die das liefern könnte. Es handelt sich dabei um eine Art Sphäre mit Falten, die sich unter pneumatischem Einfluss verlängern oder zusammenziehen kann – ähnlich wie eine Muskelfaser. Die sogenannten GRACEs (GeometRy-based Actuators able to Contract and Elongate) können mit einem handelsüblichen 3D-Drucker hergestellt und direkt in komplexere Strukturen integriert werden.

Je nach Einsatzgebiet können die GRACEs variabel skaliert werden. „Ihre Größe ist nur durch die Herstellungsmethode limitiert“, erklärt De Pascali. „Außerdem können wir ihre Leistung mit verschiedenen Techniken variieren, also einstellen, wie gut sie sich verformen können und wie viel Kraft sie anwenden.“ Um die Merkmale der GRACEs zu verändern, setzen die Wissenschaftler beispielsweise unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Elastizitätseigenschaften ein. Aber auch die Dicke der Membran, also der Außenhaut der pneumatischen Bauteile, spielt hierbei eine Rolle. So können die Forscher einerseits den Druck verändern, der für die Expansion nötig ist, und andererseits die Kraft verändern, die die GRACEs dabei ausüben. Je nach Material können die Sphären dann mehr als das Tausendfache ihres eigenen Gewichtes stemmen.

Um ein mögliches Einsatzgebiet ihres künstlichen Muskels zu demonstrieren, haben De Pascali und sein Team eine menschliche Hand 3D-gedruckt. Das hier abgebildete maßstabsgetreue Modell bringt etwa 100 Gramm auf die Waage und hat 18 GRACEs verbaut. Über diese können die einzelnen Finger gebeugt und wieder gestreckt werden. Durch die spezielle Anordnung sind die Wissenschaftler auch in der Lage, die Handfläche zu krümmen und über die vier in sie integrierten Sphären das künstliche Handgelenk zu drehen.

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In Zukunft könnten solche pneumatischen Muskelanaloga dazu beitragen, sonst nur schwer umsetzbare Robotik-Lösungen zu finden. Einer ihrer Vorteile ist, dass die Strukturen von einem handelsüblichen 3D-Drucker gefertigt und auch direkt in eine komplexe Anordnung integriert werden können. Außerdem sind die Herstellungskosten der imitierten Muskelfasern sehr gering, wodurch sie auch für industrielle Lösungen interessant werden könnten.

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