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Nov 26, 2023

Der weiche Roboter erkennt Schäden und heilt sich selbst

Forscher installierten SHeaLDS – selbstheilende Lichtleiter für dynamische Sensorik –

Die Forscher installierten SHeaLDS – selbstheilende Lichtleiter für dynamische Sensorik – in einem weichen Roboter, der einem vierbeinigen Seestern ähnelt und mit einer Feedback-Steuerung ausgestattet ist. Nachdem die Forscher eines seiner Beine durchstochen hatten, konnte der Roboter den Schaden erkennen und die Schnitte selbst heilen.

Wenn Roboter in entlegene Umgebungen vordringen, die für Menschen nicht erreichbar sind, etwa tief unter Wasser oder im fernen Weltraum, benötigen sie nicht nur Energie und Mittel, um dorthin zu gelangen. Sie müssen auch gut auf sich selbst aufpassen.

Zu diesem Zweck kombinierte ein Team unter der Leitung von Rob Shepherd, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Cornell Engineering, optische Sensoren mit einem Verbundmaterial, um einen weichen Roboter zu schaffen, der erkennen kann, wann und wo er beschädigt wurde – und sich dann selbst heilen kann Stelle.

Ihr Artikel „Autonomous Self-Healing Optical Sensors for Damage Intelligent Soft-Bodied Systems“ wurde am 7. Dezember in Science Advances veröffentlicht. Der Hauptautor ist der Doktorand Hedan Bai.

„Unser Labor versucht immer, Roboter ausdauernder und agiler zu machen, damit sie länger arbeiten und mehr Fähigkeiten haben“, sagte Shepherd. „Die Sache ist die: Wenn man Roboter über einen längeren Zeitraum arbeiten lässt, werden sie Schaden anhäufen. Und wie können wir es ihnen also ermöglichen, diesen Schaden zu reparieren oder zu bewältigen?“

Der erste Schritt für eine solche Reparatur besteht darin, dass der Roboter erkennen kann, dass tatsächlich etwas repariert werden muss.

Seit Jahren verwendet Shepherds Organic Robotics Lab dehnbare faseroptische Sensoren, um Softroboter und verwandte Komponenten – von der Haut bis zur tragbaren Technologie – so flink und praktisch wie möglich zu machen.

Bei faseroptischen Sensoren wird Licht von einer LED durch einen optischen Wellenleiter geschickt, und eine Fotodiode erkennt Änderungen in der Intensität des Strahls, um festzustellen, wann das Material verformt wird. Einer der Vorteile der Technologie besteht darin, dass Wellenleiter immer noch in der Lage sind, Licht auszubreiten, wenn sie durchstochen oder geschnitten werden.

Die Forscher kombinierten die Sensoren mit einem Polyurethan-Harnstoff-Elastomer, das Wasserstoffbrückenbindungen für eine schnelle Heilung und Disulfidaustausche für Festigkeit enthielt.

Die resultierenden SHeaLDS – selbstheilende Lichtleiter für die dynamische Erkennung – bieten eine zuverlässige dynamische Erkennung, sind widerstandsfähig gegen Beschädigungen und können sich bei Raumtemperatur ohne externe Eingriffe von Schnitten selbst heilen.

Um die Technologie zu demonstrieren, installierten die Forscher das SHeaLDS in einem weichen Roboter, der einem vierbeinigen Seestern ähnelt und mit einer Feedback-Steuerung ausgestattet ist. Nachdem die Forscher insgesamt sechs Mal eines seiner Beine durchstochen hatten, konnte der Roboter den Schaden erkennen und jeden Schnitt in etwa einer Minute selbst heilen. Der Roboter könnte seinen Gang auch autonom an den erkannten Schaden anpassen.

Das Material ist zwar robust, aber nicht unzerstörbar.

„Sie haben ähnliche Eigenschaften wie menschliches Fleisch“, sagte Shepherd. „Bei Verbrennungen oder bei Einwirkung von Säure oder Hitze heilt man nicht gut, denn dadurch verändern sich die chemischen Eigenschaften. Bei der Heilung von Schnittwunden können wir aber gute Arbeit leisten.“

Shepherd plant, SHeaLDS mit Algorithmen für maschinelles Lernen zu integrieren, die taktile Ereignisse erkennen, um schließlich „einen sehr langlebigen Roboter zu schaffen, der eine selbstheilende Haut hat, aber dieselbe Haut nutzt, um seine Umgebung zu spüren, um mehr Aufgaben erledigen zu können.“

Der Doktorand Young Seong Kim war Mitautor des Artikels.

Die Forschung wurde vom Air Force Office of Scientific Research, dem NASA Innovative and Advanced Concepts-Programm und dem EFRI-Programm der National Science Foundation unterstützt.

Die Forscher nutzten die Cornell NanoScale Facility, ein Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der NSF unterstützt wird; das Cornell Center for Materials Research, das vom MRSEC-Programm der NSF unterstützt wird; und das Cornell Energy Systems Institute.

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