Origami

Aug 12, 2023

USC-Forscher haben eine innovative Lösung zur Messung der Bewegung weicher Komponenten in der Robotik entwickelt.

Von Origami inspirierte Dehnungssensoren könnten die Art und Weise verändern, wie wir mit weichen Robotern interagieren

Hollywood ist eine Inspirationsquelle für Robotiker. Die erstaunlich lebensechten Bewegungen animierter Charaktere in Filmen wie „Avatar“ und „Herr der Ringe“ werden mithilfe der Technik der Bewegungserfassung erzeugt – dabei werden reflektierende Markierungen an einem Schauspieler angebracht, von Kameras erfasst und in Bewegungsdaten übersetzt, die das können von Animationssoftware gelesen werden.

Im Bereich der Soft-Robotik wird eine vergleichbare Methode eingesetzt, um die Verformung – oder Formveränderung – weicher Komponenten wie der Muskulatur eines Roboterarms zu verfolgen. Kameras können Daten sammeln, die es Forschern ermöglichen, Dehnbarkeit und Erholung zu messen, wichtige Informationen für die Vorhersage und damit Steuerung der Bewegung des Roboters.

Hier ist der Haken: Dieser Prozess funktioniert selten außerhalb des Labors. Wenn ein Roboter durch das Meer navigiert, im Weltraum operiert oder im menschlichen Körper eingeschlossen ist, ist eine Anordnung mehrerer Kameras nicht immer praktikabel.

Aus diesem Grund beschloss Hangbo Zhao, der gleichzeitig als Assistenzprofessor an der Abteilung für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau sowie an der Alfred-E.-Mann-Abteilung für Biomedizintechnik tätig ist, einen alternativen Ansatz zu testen.

Maßstabsgerechtes Bild des Dehnungssensors mit Origami-inspiriertem Elektrodendesign

Angeregt durch Gespräche mit seinen Kollegen in der Soft-Robotik haben Zhao und seine Forschungsgruppe ein Design für einen neuen Sensor entwickelt, der 3D-Elektroden verwendet, die von den Faltmustern von Origami inspiriert sind und einen Dehnungsbereich messen können, der bis zu dreimal höher ist als ein typischer Sensor .

Die Sensoren können an sich bewegenden weichen Körpern angebracht werden – von den mechanischen Sehnen einer Beinprothese bis hin zur pulsierenden Materie menschlicher innerer Organe –, um Formänderungen und die ordnungsgemäße Funktion zu verfolgen, ohne dass Kameras erforderlich sind.

Der daraus resultierende Artikel „High-Stretchability and Low-Hysteresis Strain Sensors Using Origami-Inspired 3D Mesostructures“ wurde in der führenden Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

„Um den neuen Sensor zu entwickeln, haben wir unsere bisherige Arbeit bei der Gestaltung und Herstellung kleiner 3D-Strukturen genutzt, die Origami-Prinzipien anwenden“, erklärte Zhao. „Dadurch können die Sensoren wiederholt verwendet werden und auch bei der Messung großer und dynamischer Verformungen weicher Körper präzise Messwerte liefern.“

Professor Hangbo Zhao und der Erstautor der Arbeit, Xinghao Huang, Doktorand im Maschinenbau

Bestehende dehnbare Dehnungssensoren verwenden typischerweise weiche Materialien wie Gummi – diese Art von Material kann jedoch bei wiederholter Verwendung irreversible Veränderungen der Materialeigenschaften erfahren, was zu unzuverlässigen Messwerten bei der Deformationserkennung führt.

Aber was wäre, wenn das Material des Sensors nicht von Natur aus weich oder dehnbar wäre? Stattdessen würde die 3D-Struktur der Elektroden Dehnung und Entspannung in einen Prozess des Entfaltens und Faltens umwandeln.

Zhaos geniale Lösung für den elektrodenbasierten Sensor lässt sich anhand eines flachen Blattes Papier demonstrieren. An beiden Seiten ziehen – wird es größer? NEIN? Also nicht dehnbar.

Falten Sie nun das Papier in zwei Hälften. Öffnen Sie es erneut. Die Form des gefalteten Papiers ändert sich, aber das Material selbst hat sich inhaltlich nicht verändert. Mit anderen Worten: besser als dehnbar.

Beim Entfalten der Elektroden wird die Stärke des elektrischen Feldes erfasst. Ein vom Team entwickeltes Modell wandelt diesen Messwert dann in ein Maß für die Verformung um. Dieser Ansatz ist ideal, um auf große Verformungen zu reagieren, die mit vorhandenen Sensoren nicht genau erkannt werden können. Durch die Kunst des Faltens lassen sich reversible Dimensionssprünge erzielen, ohne dass es zu einer Materialveränderung kommt.

„Wir integrieren die 3D-Origami-inspirierten Elektroden durch kovalente Bindung in ein weiches, dehnbares Substrat“, erklärte Zhao. „Diese einzigartige Kombination ermöglicht es uns, eine sehr große Verformung, bis zu 200 Prozent Dehnung, mit einer extrem niedrigen Hysterese von etwa 1,2 Prozent zu messen. Außerdem erfolgt die Reaktion sehr schnell, innerhalb von 22 Millisekunden.“

Das leistungsstarke Design der Sensoren macht sie zu einer Art „dreifacher Bedrohung“: Sie können große Verformungen schnell und mit höchster Präzision messen.

Zhao sagte: „Unsere Sensoren sind die besten, wenn es darum geht, alle drei Sensoreigenschaften zu erreichen. Darüber hinaus verfügen sie über einige weitere attraktive Features. Der Erfassungsbereich ist mit nur wenigen Quadratmillimetern sehr klein, sodass wir Verformungen lokal messen können. Außerdem sind sie in der Lage, Belastungen aus verschiedenen Richtungen zu erkennen. Da die Sensoren weich und klein sind, können sie leicht an einem Zielobjekt haften – ähnlich wie ein Aufkleber oder ein Verband.“

Da die Sensoren große, komplexe und sich schnell bewegende Verformungen genau messen können, gibt es unzählige Möglichkeiten für praktische Anwendungen in der tragbaren Elektronik, Prothetik und Robotik.

Demonstration der Verwendung der Dehnungssensoren zur Erfassung weicher Roboterbewegungen

Während das Design des neuen Sensors ursprünglich für die Steuerung weicher Robotik – von zarten Robotergreifern bis hin zu schlangenähnlichen Überwachungsgeräten – gedacht war, eignen sie sich auch hervorragend für Innovationen in der Biomedizin.

„Wir können diese Sensoren als tragbare oder implantierbare biomedizinische Geräte zur Gesundheitsüberwachung einsetzen“, erklärte Zhao. „Zum Beispiel die Verfolgung der Bewegung und Flexibilität unserer Haut oder unserer Gelenke. Es besteht auch ein hoher Bedarf an der Entwicklung implantierbarer Sensoren, die den Funktionsstatus innerer Organe, die einer zyklischen Expansion und Kontraktion unterliegen, kontinuierlich überwachen können.“

Tatsächlich sind „Squash and Stretch“ die ersten Schlüsselprinzipien der Animation im beliebten Disney-Handbuch „The Illusion of Life“. Seien Sie also nicht überrascht, wenn Sie sehen, dass Zhaos Technik in neue Innovationen in der Filmindustrie einfließt. Inspiration ist zyklisch – es ist also nicht allzu schwer, sich das vorzustellen.

Veröffentlicht am 29. August 2023

Zuletzt aktualisiert am 29. August 2023