NASA Langley forscht an Soft Robotics für Weltraumerforschung

Zwei Praktikanten im Langley Research Center der NASA in Hampton, Virginia, untersuchen Soft Robotics. Im Makerspace-Labor von Langley entwickeln Chuck Sullivan und Jack Fitzpatrick eine Reihe von Aktuatoren für Soft Robitics. “Was wir untersuchen, ist die Realisierbarkeit der Soft Robotik bei der Erforschung und Montage des Weltraums”, sagte Sullivan.

Während das Wort “Roboter” Bilder von Metallarmen und -getrieben hervorruft, sind Soft Robotikantriebe bioinspiriert und untersuchen, wie die Natur arbeitet, um neue Roboterbewegungen zu erzeugen. Durch die Konstruktion aus hochflexiblen Materialien können sich Soft Roboter ähnlich wie lebende Organismen bewegen und ermöglichen so neue Bewegungsbereiche, die herkömmliche Roboter einfach nicht haben können. Raumfahrtanwendungen dieser Aktuatoren können die Rolle von Robotern bei der Exploration und Montage erweitern.

„Wenn Sie den Soft Roboter betätigen, ändert sich die Art und Weise, wie Sie die Materialeigenschaften nutzen“, sagte Fitzpatrick. “Ein Stück Gummi, das von flach in die Form eines Fingers übergeht, verwandelt das Material in etwas anderes.”

Sullivan und Fitzpatrick untersuchen zu Beginn ihrer Forschung eine Reihe von Eigenschaften, um zu verstehen, wie Aktuatoren im Weltraum gebaut und eingesetzt werden können. Der derzeitige Prozess ist das 3D-Drucken einer Form und das Eingießen einer flexiblen Substanz wie Silikon. Konstruktionsbedingt weist der Aktuator Kammern oder Luftblasen auf, die sich basierend auf der Luftmenge in ihnen ausdehnen und komprimieren.

Derzeit steuern diese beiden Praktikanten das Design über eine Reihe von Rohren in den Luftblasen, mit denen sie die Bewegung des Roboters steuern können. Durch Einstellen der Luftmenge in der Kammer des Soft-Robot-Aktuators kann sich der Roboter wie ein menschlicher Muskel beugen und entspannen.

Soft Robotics ist ein relativ neues Konzept. Tatsächlich sind sowohl Sullivan als auch Fitzpatrick neu auf dem Gebiet. Der Computeringenieur und Principal Investigator James Neillan entwickelte zusammen mit dem Co-Principal Investigator Matt Mahlin ein internes Projekt, um die Lebensfähigkeit von weichen Robotern im Weltraum zu untersuchen.

Das Anlegen eines Aktors ist nur der erste Schritt. Sullivan und Fitzpatrick starten von Null und untersuchen, wie diese Technologie sowohl für die Montage als auch für die Exploration im Weltraum eingesetzt werden kann. Sie hoffen, anhand ihrer Untersuchungen herauszufinden, welche anderen Anwendungen die weiche Robotik in Zukunft haben könnte. Dazu müssen sie Aktuatorkonstruktionen erstellen und diese in einer Reihe von Experimenten testen.

Wissenschaftliche Methoden schreiben vor, dass ein Forscher beim Erstellen eines Experiments zunächst eine Hypothese aufstellt, dann das Experiment testet und dann die gesammelten Daten analysiert. Von dort aus ermöglicht die Fehlerbehebung der neu entdeckten Informationen neue Fragen: Was hat funktioniert? Was ist nicht passiert? Was soll als nächstes geändert werden?

Von dort aus nimmt der Forscher Änderungen am Experiment vor und versucht es erneut, sammelt neue Daten und analysiert die Informationen. Der Vorgang kann wiederholt werden, bis die Experimente genügend Daten gesammelt haben, um zu einer Schlussfolgerung zu gelangen, die die ursprüngliche Hypothese beantwortet. Genau das machen Sullivan und Fitzpatrick.

Als Forscher hat das Praktikantenpaar vier Untersuchungslinien zu den Eigenschaften von Aktuatoren ermittelt: Mobilität, Fügen, Nivellieren und Formen. Basierend auf diesen Eigenschaften wollen Sullivan und Fitzpatrick herausfinden, welche Möglichkeiten und Grenzen die weiche Robotik bei der Erforschung und Montage des Weltraums bietet.

„Wir versuchen, die grundlegenden Fähigkeiten von Soft-Robotern anhand dieser vier Eigenschaften zu erkennen. Auf diese Weise kann jemand, der sagt, dass Soft Robotik in einer anderen Anwendung nützlich ist, unsere Arbeit als Grundlage betrachten“, sagt Sullivan.

Das erste ist die Mobilität, bei der untersucht wird, wie sich der Aktuator bewegen kann. Zum Beispiel über die Mondoberfläche bewegen. Das Verbinden als zweite Schlüsseleigenschaft ist von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie die Roboter ineinander greifen und sich verbinden. Zwei Soft Roboter könnten miteinander verbunden werden, um einen großen temporären Unterschlupf zu schaffen.

Die dritte Eigenschaft ist das Nivellieren, wie die Aktuatoren erfolgreich eine gewünschte Oberfläche erstellen oder anpassen können, um vorübergehend den Raum unter einem Mondlebensraummodul auszufüllen. “Es muss keine flache Ebene sein. Es kann eine andere Oberflächenform sein“, sagt Fitzpatrick.

Schließlich ist die vierte Eigenschaft die Verstärkung, bei der es darum geht, einem Material Festigkeit zu verleihen, indem es mit Hilfe der Luftkammern unter Druck gesetzt wird. „Wir verwenden den Aktuator, um den Softroboter in eine Position zu bringen, und verriegeln ihn mithilfe einer Einklemmtechnik“, sagte Sullivan. Diese Technik kann verwendet werden, um eine andere Struktur wie einen Staubschutz passiv zu verstärken.

„Wir sehen diese vier Dinge als den Kern des Problems. Sobald wir diese in einzelnen Unit-Tests erreichen können, möchten wir Möglichkeiten finden, sie zu kombinieren.“, Erklärte Sullivan.

Die Hoffnung besteht darin, Soft Roboter in Situationen einzusetzen, die laut Fitzpatrick “gefährlich, schmutzig oder langweilig” sind, um die Sicherheit und Produktivität von Astronauten zu gewährleisten, während sie ihr Leben im All und in anderen planetaren Körpern führen.

Anfang Mai werden Experten aus verschiedenen Disziplinen und Bereichen nach Langley kommen, um Feedback zu den Entwürfen und Forschungsarbeiten von Fitzpatrick und Sullivan zu geben. Mit diesem Feedback können sich Sullivan und Fitzpatrick über zusätzliche Anwendungen und Fragen informieren, die im Laufe des Sommers weiter bearbeitet werden müssen.