Strahlungsresistente Roboter-Raupe der ESA kriecht mit nur einem Aktuator

Die Universität Göteborg hat im Rahmen des Discovery-Programms der Europäischen Weltraumorganisation ESA zur Planetenerforschung einen motorlosen, flexiblen Soft-Roboter in Form einer Raupe entwickelt, der sich ähnlich wie eine biologische Raupe fortbewegt. Durch diesen Fortbewegungsansatz ist der Roboter in der Lage, sich auch in unwegsamem Gelände unter rauen Umweltbedingungen zu bewegen und etwa durch enge Spalten zu quetschen.

Soft-Roboter sind flexibel und trotzdem unempfindlich, um unter rauen Bedingungen eingesetzt werden zu können, etwa bei Hitze, extremer Kälte, Nässe und Strahlung. Starre Roboter mit Gelenken, die elektromotorisch angetrieben werden, eignen sich dagegen dafür nicht so gut. Denn solche Roboter haben einen gewissen Wartungsaufwand – nicht besonders optimal, wenn sie über einen langen Zeitraum agieren müssen und auf Planetenexplorationen nicht gewartet werden können.

Kriechen mit einzelnem Elastomer-Aktuator

Zentraler Bestandteil der Roboter-Raupe ist ein Aktuator. Er besteht aus einem dielektrischen Elastomer (Dielectic elastomer actuator – DEA) und bildet einen künstlichen Muskel. Der flexible, dünne Polymerstrang ist zwischen zwei nachgiebige Elektroden eingebettet. Sobald eine Spannung anliegt, zieht er sich radial zusammen und dehnt sich wieder aus. Prinzipiell verhält sich der Aktuator ähnlich wie ein biologischer Muskel. Die Vorteile: Der künstliche Muskel kann sich stark verformen, reagiert schnell und speichert Energie effizient und kann sie auch wieder freisetzen.

Die Forscher der Universität Göteborg verwenden bei der Roboter-Raupe eine gerollte Version des DEA (Rolled DEA – RDEA), die sich axial zusammenziehen und ausdehnen kann. Dadurch erzielen sie die nötige raupenartige Bewegung des Roboters. Der Roboter kann sich dadurch nicht nur mit einem einzelnen Aktuator vorwärtsbewegen, sondern auch ohne komplexe Steuerungselektronik in alle Richtungen gesteuert werden.

Die Wissenschaftler führten dazu eine Reihe von Bewegungstests auf unterschiedlichen Untergründen aus 3D-gedruckten Substraten durch, die Rillenmuster aufwiesen. Die „Beine“ des Roboters hakten sich in die Muster ein, sodass sich der Roboter entlang der Rillenrichtung ausrichtete. Systematische Versuche mit Substraten, die unterschiedliche Winkel im Rillenmuster abbildeten, ergaben, dass sich der Roboter darüber präzise nach links und rechts steuern lässt, obwohl er nur über einen Aktuator verfügt. Um jedoch auch in unkontrollierten Umgebungen die Richtung ändern zu können, muss der Roboter zusätzlich zu seiner passiven Steuerung noch eine aktive Steuerung erhalten.

Haltbar und wartungsarm

Das verwendete Material des Raupen-Roboters ist außerdem recht robust gegen Schäden und trotzt hohen und niedrigen Temperaturen. Der Roboter fällt damit auch recht wartungsarm aus. Damit er auf anderen Planeten, wie etwa dem Mars, seinen Dienst tun kann, haben die Forscher ihn bis zu einem gewissen Maß strahlungssicher gemacht. Dazu verwendeten sie in dem Aktuator flexible Elektroden aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (Single-walled carbon nanotubes – SWCNT). Das zylinderförmige Nanomaterial besteht aus einer gerollten Graphenschicht, die fehlertolerante Eigenschaften besitzt. Sie bietet Schutz vor physischen Beschädigungen und zum Teil vor Marsstrahlung, vor allem vor Alpha- und Protonenteilchen mit einer Energie von 10 MeV, hatte eine Simulation ergeben.

(olb)