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Die weiche Revolution

Metallische Roboter machen Platz – eine neue Generation an weichen, dehnbaren Maschinen und verformbarer Elektronik bahnt sich ihren Weg.

Von MARTIN KALTENBRUNNER

Moderne Roboter sind weiche, dehnbare Maschinen
Illustration: Michael Drack

Stahl und Silizium – diese Materialien werden im Wesentlichen als die Baustoffe unseres technologischen Fortschritts der letzten zweihundert Jahre gesehen. Mit ihnen haben wir, von Mikroprozessoren bis hin zu riesigen Maschinen, eine beeindruckende Bandbreite an künstlichen Helfern entwickelt. Gegenwärtig, aber sogar auch in der Welt der Science-Fiction, bestehen Roboter zumeist aus harten Materialien und sind in ihrer Mehrheit starr und wenig flexibel. Komplexe moderne Roboter nehmen sich oft den Menschen oder andere Lebewesen mit harten Skeletten zum Vorbild. Dabei laufen Bewegungen mathematisch genau vorhersagbar durch das Drehen und Biegen von starren Gliedmaßen an vorgegebenen Gelenken ab. Obwohl solche Roboter eine aufwändige Programmierung und eine Vielzahl an Sensoren erfordern, konnten bereits erstaunliche Ergebnisse erreicht werden, wie etwa Hanson Robotics menschenähnliche Sophia oder die autonomen Systeme von Boston Robotics zeigen. Dennoch verblassen die Fähigkeiten dieser Maschinen in vielen Aspekten im Vergleich mit der Natur – vor allem bei Interaktionen mit dem Menschen, der Fortbewegung in unwegsamem Terrain oder dem Umgang mit ungewohnten Objekten und unvorhersehbaren Situationen. Denken Sie nur, wie schwierig es selbst für Kinder ist, Schnürsenkel zu binden.

Ein Blick in unsere lebendige Umgebung verdeutlicht einen wesentlichen Unterschied zur metallenen Welt der Robotik: Die Tier- und Pflanzenwelt verwendet oftmals weiche Baustoffe.

In diesen ist Wasser in speziellen Polymernetzwerken, so genannten Hydrogelen, gebunden. Nüchtern betrachtet sind auch wir nichts weiter als ein mit Wasser gefüllter Beutel. Dennoch – als ein hochentwickeltes Puzzle aus Hydrogelen bewerkstelligen wir eine Vielzahl hochkomplexer Aufgaben mit augenscheinlicher Leichtigkeit. Die Evolution hat dabei eine erstaunliche Bandbreite an solchen Gelen hervorgebracht, mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften. Manche sind weich, wie zum Beispiel Hirngewebe, andere wiederum extrem zäh, wie etwa Sehnen und Knorpel. Zusammen sind sie der wesentliche Bestandteil aller Kreaturen dieser Erde. Die Komplexität und Vielfalt, die in der Natur zu finden sind – von völlig weichen Kraken oder Raupen bis zu hybriden Wirbeltieren – beruht auf eleganten Verbindungen einer Vielzahl biologischer Materialien, welche Gewebe, Fasern, Muskeln und Skelettstrukturen bilden.

Technisch ausgedrückt sind Lebewesen somit ausgeklügelte „weiche Maschinen“. Warum also nicht von der Natur lernen, um diese Konzepte auf unsere Technologien zu übertragen? In der Tat wurde zu Beginn dieses Jahrhunderts, obwohl selbst von der Wissenschaft anfangs noch belächelt, eine weiche Revolution in der Elektronik und auch in der Robotik eingeläutet. Verformbare Materialien – Polymere und Elastomere – bilden nun den Grundstoff für diese neue Generation an physisch anpassungsfähiger Technologie. Dehnbare Elektronik ist von einem Kuriosum zu einem stark wachsenden Forschungsgebiet geworden, dessen anspruchsvolles Ziel es ist, nichts weniger als künstliche Haut zu erschaffen. Haut mit all ihren Facetten wie einer Vielzahl an Sensoren für Haptik, Temperatur und Feuchtigkeit, aber auch mit der Möglichkeit, sich selbst zu heilen. Dieses Forschungsgebiet wurde vom gebürtigen Linzer Sigurd Wagner, der in Princeton lehrt, mit ins Leben gerufen und bereits früh durch Arbeiten an der Johannes Kepler Universität maßgeblich beeinflusst.

In der Robotik sind es vor allem die erstaunlichen Fähigkeiten von Tintenfischen und Kraken, die Forscher inspirieren. Neben der Möglichkeit, beliebige Objekte mit ihren Fangarmen zu greifen, können diese Lebewesen ihre Form fast beliebig ändern, sich durch schmale Öffnungen quetschen und besitzen sogar eine Haut, die sie wie ein Tarnanzug in ihrer Umgebung verschwinden lässt. Wird diese Funktionalität auf künstliche Maschinen übertragen, eröffnen sich völlig neue Einsatzgebiete in der Robotik. Ein Blick in die Biologie offenbart allerlei unglaubliche Lösungen für Bewegung, Fühlen, Greifen, Füttern, Jagen, Schwimmen, Laufen und Gleiten, die für harte Roboter nicht oder nur schwer zugänglich sind, aber mit weichen Materialien imitiert werden können.

Um diese Bewegungen zu realisieren, forschen Wissenschaftler vorrangig an künstlichen Muskeln, eine Vision, die bereits von Wilhelm Conrad Röntgen verfolgt wurde. Dieser konnte bereits früh Formveränderungen an Gummibändern durch Aufbringen elektrischer Ladungen zeigen, quasi eine Vorstufe elektrischer Gummimuskeln. Chemiker und Materialwissenschaftler haben in den letzten Jahren Klassen von sogenannten High-tech Polymeren, Elastomeren und Gelen entwickelt, die auf eine Vielzahl von Anregungen wie etwa Temperatur, Licht oder Elektrizität reagieren. Muskel-mimetische weiche Aktuatoren wurden bereits früh an der JKU erdacht und erst vor kurzem durch den JKU-Physikabsolventen Christoph Keplinger, jetzt CU Boulder, einen entscheidenden Schritt näher an das natürliche Beispiel herangebracht, inklusive Mechanismen zur Selbstheilung. Wenn auch noch vieles nach Science-Fiction klingt, wurde bereits jetzt rein auf Basis elastischer Materialen eine neue Klasse an weichen Robotern entwickelt. Die pneumatisch oder aber autonom durch chemische Reaktionen betriebenen Krabbler von George Whitesides aus Harvard imitieren jetzt schon fast perfekt das Bewegungsverhalten eines Oktopusses, und können überdies ihre Oberfläche und Farbe dynamisch an ihre Umgebung anpassen. Hier ist vor allem das Zusammenspiel vieler Materialklassen, von hart bis weich, interessant. Wie beim Menschen wird das volle Potenzial wohl erst durch eine perfekte Fusion verschiedener „Baustoffe“ ermöglicht. Umgelegt auf weiche Elektronik und Robotik bedeutet dies eine durchdachte Verknüpfung neuer Materialien mit bereits etablierten Technologien wie etwa Silizium-basierender Halbleiterelektronik. Hier verschwimmen die Grenzen zwischen den „Klassen“ etwas, wodurch sich aber auch neue faszinierende Möglichkeiten auftun wie etwa der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) in der weichen Robotik. Im Bereich der KI kann die JKU mit Sepp Hochreiter auf entscheidende Pionierleistungen zurückgreifen und ist bestens für eine Zukunft gerüstet, in der die Barrieren zwischen der digitalen und lebendigen Welt immer weiter aufgelöst werden.

Stahl und Silizium – diese Materialien werden im Wesentlichen als die Baustoffe unseres technologischen Fortschritts der letzten zweihundert Jahre gesehen. Mit ihnen haben wir, von Mikroprozessoren bis hin zu riesigen Maschinen, eine beeindruckende Bandbreite an künstlichen Helfern entwickelt. Gegenwärtig, aber sogar auch in der Welt der Science-Fiction, bestehen Roboter zumeist aus harten Materialien und sind in ihrer Mehrheit starr und wenig flexibel. Komplexe moderne Roboter nehmen sich oft den Menschen oder andere Lebewesen mit harten Skeletten zum Vorbild. Dabei laufen Bewegungen mathematisch genau vorhersagbar durch das Drehen und Biegen von starren Gliedmaßen an vorgegebenen Gelenken ab. Obwohl solche Roboter eine aufwändige Programmierung und eine Vielzahl an Sensoren erfordern, konnten bereits erstaunliche Ergebnisse erreicht werden, wie etwa Hanson Robotics menschenähnliche Sophia oder die autonomen Systeme von Boston Robotics zeigen. Dennoch verblassen die Fähigkeiten dieser Maschinen in vielen Aspekten im Vergleich mit der Natur – vor allem bei Interaktionen mit dem Menschen, der Fortbewegung in unwegsamem Terrain oder dem Umgang mit ungewohnten Objekten und unvorhersehbaren Situationen. Denken Sie nur, wie schwierig es selbst für Kinder ist, Schnürsenkel zu binden. Ein Blick in unsere lebendige Umgebung verdeutlicht einen wesentlichen Unterschied zur metallenen Welt der Robotik: Die Tier- und Pflanzenwelt verwendet oftmals weiche Baustoffe. In diesen ist Wasser in speziellen Polymernetzwerken, so genannten Hydrogelen, gebunden. Nüchtern betrachtet sind auch wir nichts weiter als ein mit Wasser gefüllter Beutel. Dennoch – als ein hochentwickeltes Puzzle aus Hydrogelen bewerkstelligen wir eine Vielzahl hochkomplexer Aufgaben mit augenscheinlicher Leichtigkeit. Die Evolution hat dabei eine erstaunliche Bandbreite an solchen Gelen hervorgebracht, mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften. Manche sind weich, wie zum Beispiel Hirngewebe, andere wiederum extrem zäh, wie etwa Sehnen und Knorpel. Zusammen sind sie der wesentliche Bestandteil aller Kreaturen dieser Erde. Die Komplexität und Vielfalt, die in der Natur zu finden sind – von völlig weichen Kraken oder Raupen bis zu hybriden Wirbeltieren – beruht auf eleganten Verbindungen einer Vielzahl biologischer Materialien, welche Gewebe, Fasern, Muskeln und Skelettstrukturen bilden. Technisch ausgedrückt sind Lebewesen somit ausgeklügelte „weiche Maschinen“. Warum also nicht von der Natur lernen, um diese Konzepte auf unsere Technologien zu übertragen? In der Tat wurde zu Beginn dieses Jahrhunderts, obwohl selbst von der Wissenschaft anfangs noch belächelt, eine weiche Revolution in der Elektronik und auch in der Robotik eingeläutet. Verformbare Materialien – Polymere und Elastomere – bilden nun den Grundstoff für diese neue Generation an physisch anpassungsfähiger Technologie. Dehnbare Elektronik ist von einem Kuriosum zu einem stark wachsenden Forschungsgebiet geworden, dessen anspruchsvolles Ziel es ist, nichts weniger als künstliche Haut zu erschaffen. Haut mit all ihren Facetten wie einer Vielzahl an Sensoren für Haptik, Temperatur und Feuchtigkeit, aber auch mit der Möglichkeit, sich selbst zu heilen. Dieses Forschungsgebiet wurde vom gebürtigen Linzer Sigurd Wagner, der in Princeton lehrt, mit ins Leben gerufen und bereits früh durch Arbeiten an der Johannes Kepler Universität maßgeblich beeinflusst. In der Robotik sind es vor allem die erstaunlichen Fähigkeiten von Tintenfischen und Kraken, die Forscher inspirieren. Neben der Möglichkeit, beliebige Objekte mit ihren Fangarmen zu greifen, können diese Lebewesen ihre Form fast beliebig ändern, sich durch schmale Öffnungen quetschen und besitzen sogar eine Haut, die sie wie ein Tarnanzug in ihrer Umgebung verschwinden lässt. Wird diese Funktionalität auf künstliche Maschinen übertragen, eröffnen sich völlig neue Einsatzgebiete in der Robotik. Ein Blick in die Biologie offenbart allerlei unglaubliche Lösungen für Bewegung, Fühlen, Greifen, Füttern, Jagen, Schwimmen, Laufen und Gleiten, die für harte Roboter nicht oder nur schwer zugänglich sind, aber mit weichen Materialien imitiert werden können. Um diese Bewegungen zu realisieren, forschen Wissenschaftler vorrangig an künstlichen Muskeln, eine Vision, die bereits von Wilhelm Conrad Röntgen verfolgt wurde. Dieser konnte bereits früh Formveränderungen an Gummibändern durch Aufbringen elektrischer Ladungen zeigen, quasi eine Vorstufe elektrischer Gummimuskeln. Chemiker und Materialwissenschaftler haben in den letzten Jahren Klassen von sogenannten High-tech Polymeren, Elastomeren und Gelen entwickelt, die auf eine Vielzahl von Anregungen wie etwa Temperatur, Licht oder Elektrizität reagieren. Muskel-mimetische weiche Aktuatoren wurden bereits früh an der JKU erdacht und erst vor kurzem durch den JKU-Physikabsolventen Christoph Keplinger, jetzt CU Boulder, einen entscheidenden Schritt näher an das natürliche Beispiel herangebracht, inklusive Mechanismen zur Selbstheilung. Wenn auch noch vieles nach Science-Fiction klingt, wurde bereits jetzt rein auf Basis elastischer Materialen eine neue Klasse an weichen Robotern entwickelt. Die pneumatisch oder aber autonom durch chemische Reaktionen betriebenen Krabbler von George Whitesides aus Harvard imitieren jetzt schon fast perfekt das Bewegungsverhalten eines Oktopusses, und können überdies ihre Oberfläche und Farbe dynamisch an ihre Umgebung anpassen. Hier ist vor allem das Zusammenspiel vieler Materialklassen, von hart bis weich, interessant. Wie beim Menschen wird das volle Potenzial wohl erst durch eine perfekte Fusion verschiedener „Baustoffe“ ermöglicht. Umgelegt auf weiche Elektronik und Robotik bedeutet dies eine durchdachte Verknüpfung neuer Materialien mit bereits etablierten Technologien wie etwa Silizium-basierender Halbleiterelektronik. Hier verschwimmen die Grenzen zwischen den „Klassen“ etwas, wodurch sich aber auch neue faszinierende Möglichkeiten auftun wie etwa der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) in der weichen Robotik. Im Bereich der KI kann die JKU mit Sepp Hochreiter auf entscheidende Pionierleistungen zurückgreifen und ist bestens für eine Zukunft gerüstet, in der die Barrieren zwischen der digitalen und lebendigen Welt immer weiter aufgelöst werden. Gerade dieser Blick in die Zukunft ist naturgemäß ein unbestimmter, doch die Anwendungsmöglichkeiten einer „lebensähnlichen“ weichen Technologie scheinen unbegrenzt. Weiche Systeme werden eine entscheidende Rolle in der Medizintechnik spielen, wo sich künstliche Gliedmaßen oder gar Organe kaum mehr vom Original unterscheiden werden. Dehnbare Materialien erlauben hier die mechanische Unterstützung bei Herzfehlern oder aber eine neue Klasse an Diagnosegeräten wie etwa chirurgische Endoskope oder eine Vielzahl an Sensoren, die direkt auf der Haut getragen werden können. Da unser Körper zum Großteil weich ist und auch meist in Bewegung, bedingt dies ebenso weiche, körperähnliche Implantate, um auf lange Sicht Krankheiten wie Epilepsie oder andere neurologische Störungen bis hin zu Querschnittlähmungen zu behandeln. Außerhalb von Krankenhäusern erlauben weiche Roboter einen völlig neuen Umgang mit Menschen, da diese die Gefahr von Verletzungen bereits durch ihr weiches Äußeres minimieren. Zudem können sich solch formbare Maschinen im Katastrophenfall als äußerst nützlich erweisen und beispielsweise nach Erdbeben Verschüttete in schwer zugänglichen Bereichen erreichen. Selbstlernende Maschinen mögen zwar für manche erschreckend wirken, aber der Ballonähnliche Helfer-Roboter Baymax von Disney zeigt nur eine der vielen positiven Zukunftsvisionen, die es zu verwirklichen gilt. Vielversprechend auf dem Weg dahin ist der Einsatz neuer synthetischer Hydrogele mit gewebeähnlichen Eigenschaften. Der European Research Council hat mir mit 1.5 Millionen Euro für die nächsten fünf Jahre die Möglichkeit gegeben, biomimetische Hydrogel-basierende Elektronik und Robotik zu entwickeln. Im Fokus stehen elektronische Haut, Energieversorgung für weiche autonome Systeme, aber auch künstliche Augen für unsere zukünftigen weichen Begleiter. Weiche Maschinen können uns auch in einem weiteren natürlichen Prozess ähnlicher werden, viele der eingesetzten Materialien lassen sich bereits jetzt biologisch abbaubar gestalten. So können nachhaltig Probleme unserer Konsumgesellschaft angegangen werden, da nicht mehr benötigte Geräte ein natürliches Ende nehmen. Die technologische „Evolution“ ist also bereits dabei, die Lücken zwischen Mensch und Maschine zu schließen. Die JKU war und ist ein Träger der Innovation auf diesem Gebiet und das LIT bietet eine exzellente Plattform, um durch die Synthese von weichen Maschinen und KI die weiche Revolution mit neuen Impulsen voranzubringen. Die Entwicklungen im Bereich der weichen Materialien schreiten rasant voran, es scheint daher eine gar nicht so gewagte Prognose, dass das einundzwanzigste Jahrhundert als das „Soft Matter Age“ in die Geschichte eingehen wird.

Gerade dieser Blick in die Zukunft ist naturgemäß ein unbestimmter, doch die Anwendungsmöglichkeiten einer „lebensähnlichen“ weichen Technologie scheinen unbegrenzt. Weiche Systeme werden eine entscheidende Rolle in der Medizintechnik spielen, wo sich künstliche Gliedmaßen oder gar Organe kaum mehr vom Original unterscheiden werden. Dehnbare Materialien erlauben hier die mechanische Unterstützung bei Herzfehlern oder aber eine neue Klasse an Diagnosegeräten wie etwa chirurgische Endoskope oder eine Vielzahl an Sensoren, die direkt auf der Haut getragen werden können. Da unser Körper zum Großteil weich ist und auch meist in Bewegung, bedingt dies ebenso weiche, körperähnliche Implantate, um auf lange Sicht Krankheiten wie Epilepsie oder andere neurologische Störungen bis hin zu Querschnittlähmungen zu behandeln. Außerhalb von Krankenhäusern erlauben weiche Roboter einen völlig neuen Umgang mit Menschen, da diese die Gefahr von Verletzungen bereits durch ihr weiches Äußeres minimieren. Zudem können sich solch formbare Maschinen im Katastrophenfall als äußerst nützlich erweisen und beispielsweise nach Erdbeben Verschüttete in schwer zugänglichen Bereichen erreichen. Selbstlernende Maschinen mögen zwar für manche erschreckend wirken, aber der Ballonähnliche Helfer-Roboter Baymax von Disney zeigt nur eine der vielen positiven Zukunftsvisionen, die es zu verwirklichen gilt.

Vielversprechend auf dem Weg dahin ist der Einsatz neuer synthetischer Hydrogele mit gewebeähnlichen Eigenschaften. Der European Research Council hat mir mit 1.5 Millionen Euro für die nächsten fünf Jahre die Möglichkeit gegeben, biomimetische Hydrogel-basierende Elektronik und Robotik zu entwickeln. Im Fokus stehen elektronische Haut, Energieversorgung für weiche autonome Systeme, aber auch künstliche Augen für unsere zukünftigen weichen Begleiter. Weiche Maschinen können uns auch in einem weiteren natürlichen Prozess ähnlicher werden, viele der eingesetzten Materialien lassen sich bereits jetzt biologisch abbaubar gestalten. So können nachhaltig Probleme unserer Konsumgesellschaft angegangen werden, da nicht mehr benötigte Geräte ein natürliches Ende nehmen. Die technologische „Evolution“ ist also bereits dabei, die Lücken zwischen Mensch und Maschine zu schließen. Die JKU war und ist ein Träger der Innovation auf diesem Gebiet und das LIT bietet eine exzellente Plattform, um durch die Synthese von weichen Maschinen und KI die weiche Revolution mit neuen Impulsen voranzubringen.

Die Entwicklungen im Bereich der weichen Materialien schreiten rasant voran, es scheint daher eine gar nicht so gewagte Prognose, dass das einundzwanzigste Jahrhundert als das „Soft Matter Age“ in die Geschichte eingehen wird.

NEWS 06.04.2018

Visionen

Erschienen in Ausgabe 1/2018