Fadenmotor bringt Bewegung in die Softrobotik

2023 stellte das Labor für weiche Mikrosysteme der EPFL die weltweit erste Pumpe in Faserform vor. Der flexible Schlauch kann selbst Druck und Durchfluss erzeugen. Direkt in intelligente Textilien eingenäht, lässt er Flüssigkeiten zirkulieren, um beispielsweise die Körpertemperatur zu regulieren, haptische Rückmeldungen zu erzeugen oder tragbare Assistenzsysteme mit Energie zu versorgen.

Nun ist das Forschungsteam der Fakultät für Ingenieurwissenschaften einen Schritt weitergegangen: Mit dem FiberMotor hat es einen fadenförmigen Motor entwickelt, der elektrische Energie direkt in Bewegung umwandelt. Er hat einen Durchmesser von 1 bis 3 Millimetern und besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Hohlfasern. Um jede Faser sind Elektroden aus isoliertem Kupferdraht gewickelt, der etwas dünner ist als ein menschliches Haar. Wird an die Elektroden eine Spannung angelegt, ziehen elektrostatische Kräfte die Fasern wiederholt in eine gemeinsame Ausrichtung. Dadurch gleitet die innere Faser in die äussere hinein – ähnlich wie die ineinandergeschobenen Rohre eines Teleskops.

«FiberMotor ist der erste gleitende Fasermotor», freut sich Laborleiter Herbert Shea. «Er erzeugt genügend Kraft, um Anwendungen in der Softrobotik anzutreiben, und bleibt dabei praktisch unmerklich, flexibel und in beide Richtungen beweglich.» Die Forschenden haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Viele alltägliche Bewegungen wie Heben, Schieben oder Ziehen beruhen auf linearen statt rotierenden Bewegungen. Diese nachzubilden, war in der tragbaren Robotik lange eine Herausforderung. Denn Motoren, die genügend Kraft für lineare Bewegungen erzeugen, benötigen häufig starre Getriebe, Kraftübertragungen und andere sperrige Komponenten.

Zwar wurden bereits «künstliche Muskeln» entwickelt, deren Bewegungsumfang wird jedoch dadurch begrenzt, wie weit sich die verwendeten Materialien dehnen, zusammenziehen oder biegen lassen. Beim FiberMotor hingegen hängt der mögliche Bewegungsweg lediglich von der Länge der Fasern ab.

Da der Motor ohne Getriebe und mechanische Kraftübertragung auskommt, ist er zudem rücktreibbar. Das bedeutet, dass er sich durch eine von aussen wirkende Gegenkraft bewegen lässt, ohne Schaden zu nehmen. Dadurch kann er natürlicher mit menschlichen Bewegungen interagieren als herkömmliche Motoren. Bewegt sich beispielsweise die Person, die den Motor trägt, unerwartet oder entgegen der vorgesehenen Bewegungsrichtung, gleiten die Fasern einfach aneinander vorbei, statt zu blockieren.

Bei Labortests konnte ein einzelner FiberMotor statische Lasten von rund 75 Gramm tragen. Vier miteinander kombinierte Motoren erzeugten genügend Kraft, um einen 46 Gramm schweren Schokoladenriegel anzuheben und einen über eine Sehne betätigten Roboterfinger zu beugen.

Das Forschungsteam integrierte zudem einen FiberMotor in den Prototyp eines Kleidungsstücks, das sich der Form eines Knies anpasst. Da die Motoren dünn und leicht sind, könnten sie künftig über die gesamte Fläche eines intelligenten Textils verteilt werden. Statt die Kraft in einer einzigen starren Motoreinheit zu konzentrieren, liesse sie sich so an verschiedenen Stellen des Kleidungsstücks erzeugen.

Langfristig wollen die Forschenden die besondere Kombination aus Kraft und Flexibilität nutzen, um tragbare Assistenzsysteme zu entwickeln. Denkbare Anwendungen sind weiche Exoskelette zur Unterstützung der Mobilität, tragbare haptische Systeme für die virtuelle Realität sowie leichte Prothesen.

Derzeit arbeitet das Team daran, Leistung und Lebensdauer des FiberMotor weiter zu verbessern. Dazu sollen noch dünnere Elektroden eingesetzt werden, die überwiegend aus Isoliermaterial bestehen. Ausserdem werden die verwendeten Materialien optimiert. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung ist die Integration von Rückmeldungen über die Position und die Bewegungen der Person, die das System trägt. Dadurch soll der Motor seine Funktion künftig rasch an die beabsichtigte Bewegung anpassen können.