Die Southern University of Science and Technology hat GrowHR entwickelt, einen flexiblen Roboter, der das menschliche Skelett nachahmen soll

Inspiriert durch das menschliche Skelett hat das Team von Professor Wang Hongqiang an der Southern University of Science and Technology kürzlich einen weichen humanoiden Roboter entwickelt, der wachsen, sich verformen und flexibel bewegen kann – GrowHR, der eine neue flexible Idee für die Entwicklung humanoider Roboter liefert.Anders als bei herkömmlichen starren Robotern basiert das Kerndesign von GrowHR auf der Bionik menschlicher Knochen. Die Eigenschaften von Knochen wie Wachstum, geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Stoßdämpfung inspirierten das Team zur Entwicklung eines neuen flexiblen Mechanismus, der auf einer pneumatischen Expansionsstruktur und einem mehrdimensionalen Stabilisierungsmechanismus basiert.

Der Mechanismus nutzt eine weiche PVC-Luftkammer zur Verformung, ist mit einer nicht dehnbaren Stoffschicht umwickelt, um die axiale Steifigkeit zu verbessern, und ist an beiden Enden mit starren Anschlüssen ausgestattet. Es wiegt nur 350 Gramm, kann aber eine Dehnrate von bis zu 315 % erreichen.

Basierend auf dieser innovativen Struktur zeigt GrowHR eine außergewöhnliche morphologische Anpassungsfähigkeit. Seine Höhe kann zwischen 0,49 Meter und 1,36 Meter frei variiert werden und er kann sogar selbstständig aus einem schmalen Verpackungskarton auf seine volle Höhe „wachsen“. Um eine stabile Expansion und Kontraktion zu gewährleisten, entwickelte das Team einen einzigartigen synchronisierten Kabelrückhaltemechanismus und lineare Führungsstangen, um das Gleichgewicht beim Formenwechsel aufrechtzuerhalten.

Um die Stabilität während des Aufblas- und Entleerungsprozesses zu gewährleisten, haben die Forscher außerdem einen Synchronisationskabel-Rückhaltemechanismus kreativ entworfen – vier gleich lange Kabel werden verwendet, um sicherzustellen, dass beide Enden immer parallel sind.Durch die Hinzufügung von linearen Führungsstangen wird die Biegefestigkeit weiter erhöht, sodass der Roboter im Stehen sicher die Höhe ändern kann.

Basierend auf dem oben genannten Design demonstriert GrowHR multimodale Bewegungsfähigkeiten, über die herkömmliche humanoide Roboter nicht verfügen, und eröffnet so die Fantasie für weitere Anwendungsszenarien.

Der erste ist die extrem starke morphologische Anpassungsfähigkeit. Es kann sich durch kurze Löcher verformen, die nur 36 % seiner ursprünglichen Höhe haben, und sich durch Schlitze quetschen, die nur 61 % seiner ursprünglichen Breite haben, indem es seinen Bauch schrumpft, was seine Zugänglichkeit in komplexem Gelände erheblich verbessert.

Diese Formwandlungsfähigkeit schaltet auch einen einzigartigen Kriechmodus frei. Durch die kooperative Arbeit der erweiterbaren Verbindungsstruktur und des Servomotors kann sich GrowHR wie ein Regenwurm winden, und die Kriechgeschwindigkeit ist 1122-mal höher als bei Verwendung nur eines Motors oder eines Soft-Aktuators, sodass er in extrem kleine Höhlen eindringen kann.

Seine Fähigkeiten sind nicht nur auf das Land beschränkt, sondern erstrecken sich auch auf das Wasser.Da die Dichte von Wasser nur 5,8 % beträgt, kann es nicht nur im Wasser schwimmen und schwimmen, sondern auch das 16-fache seines Eigengewichts tragen. Mit Hilfe von Flossen und Masseblöcken kann er sogar leichte Arbeiten wie das „Schwimmen auf dem Wasser“ ausführen und zur Wasserrettung, Wasseroberflächenreinigung und anderen Aufgaben eingesetzt werden.

Da es nur 4,5 Kilogramm wiegt, kann GrowHR mit Hilfe von Kanalventilatoren oder Drohnen auf dem Luftweg transportiert werden. Die längste Flugdistanz im Experiment betrug 5,5 Kilometer, was sein großes Potenzial für die Durchführung von Such- und Rettungsmissionen in abgelegenen Gebieten demonstriert.

Für einen Roboter, der ein Haus betritt und Tag und Nacht mit Menschen zurechtkommt, hat Sicherheit immer oberste Priorität. Das Design von GrowHR hat „Eigensicherheit“ von Anfang an in seiner DNA verankert.

Obwohl GrowHR 1,36 Meter hoch ist, wiegt er nur 4,5 Kilogramm, weniger als 20 % des Gewichts herkömmlicher starrer Roboter derselben Größe. Dieses ultraleichte Design bedeutet, dass selbst bei einer Kollision die Aufprallkraft viel geringer ist als bei einem herkömmlichen Roboter.

Experimentelle Daten zeigen, dass die Aufprallkraft von GrowHR beim Fallen auf den Boden nur 1/1,7 der eines starren Roboters mit demselben Gewicht beträgt.

Bei der Entwicklung von GrowHR steht Sicherheit im Mittelpunkt. Sein ultraleichtes Gewicht (weniger als 20 % eines starren Roboters gleicher Größe) bedeutet, dass selbst im Falle einer Kollision die Aufprallkraft weitaus geringer ist als bei herkömmlichen Robotern.Tests zeigen, dass seine Aufprallkraft beim Fallen auf den Boden nur 1/1,7 der eines starren Roboters mit dem gleichen Gewicht beträgt. Er kann Kinder sicher umarmen, selbst wenn er versehentlich herunterfällt, und stellt dabei ein äußerst geringes Risiko für Mensch und Maschine dar. Dank seines Gewichts können Kinder ihn sogar problemlos bewegen, was eine wichtige Sicherheitsgrundlage für zukünftige Heimservice-Roboter darstellt.

Darüber hinaus sorgt seine flexible Struktur auch für eine einzigartige dynamische Leistung. Beispielsweise können die Beine bei Belastung elastische Energie speichern und abgeben und so sensible Aktionen wie das Treten eines Balls ausführen, die mit starren Robotern nur schwer möglich sind.

Das Forschungsteam sagte, dass durch die Erhöhung des Freiheitsgrads, den Einsatz leistungsfähigerer Aktuatoren und die Kombination fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen in Zukunft eine weitere Verbesserung der Autonomie und dynamischen Leistung solcher Roboter erwartet werde.

Von der autonomen Verformung über die Anpassung an mehrere Umgebungen bis hin zur intrinsischen Sicherheit scheint GrowHR den Gesundheitsassistenten „Baymax“ im Film „Big Buck“ in die Realität umzusetzen und geht sogar noch weiter – es weiß nicht nur, wie man sich sicher umarmt, sondern beherrscht auch verschiedene Fähigkeiten wie Fliegen, Schwimmen, Wassertreiben und „schrumpfende Knochen“, um Nähte zu tragen. Diese Erforschung zeichnet nach und nach eine Zukunft der Roboter ab, die flexibler und sicherer ist und sich tief in die menschliche Umwelt integrieren lässt.