Aufblasbare Metamaterialien mit durchschlagartigen Instabilitäten für Soft Maschinen der nächsten Generation

• Antragsteller: Dr. Edoardo Milana
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505075715

Soft Maschinen sind mechanische Geräte aus weichen Materialien und erfüllen durch ihre Körperverformung spezielle Funktionen. Ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen starren Maschinen sind in der Regel die Interaktionssicherheit, die Anpassungsmöglichkeit und kostengünstige Herstellung. Soft Maschinen können durch elastische, aufblasbare Aktuatoren angetrieben werden, die je nach Bauart eine Vielzahl von Bewegungen ausführen. In ähnlicher Weise wurden flexible, mechanische Metamaterialien entworfen, um gewünschte mechanische Reaktionen zu erzielen, einschließlich komplexer, nichtlinearer Effekte wie reversible durchschlagartiges Instabilitäten. Tatsächlich wird ein Metamaterial als ein künstliches Material definiert, das besondere Eigenschaften aufweist, die über seine Bestandteile hinausgehen. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine neue Familie innerhalb der Soft Maschinen zu schaffen, indem aufblasbare Aktoren mit Durchschlagen entworfen und hergestellt werden, die die nichtlineare Reaktion von architekturdefinierten Metamaterialien nutzen. Dank der hohen Einstellbarkeit der mechanischen Metamaterialantwort werden neue Funktionalitäten in die Struktur kodiert, die Soft Maschinen der nächsten Generation mit vereinfachter Steuerung und verkörperter Intelligenz ermöglichen. In diesem Vorschlag werden drei Hauptziele verfolgt: Das erste Ziel besteht darin, einen aufblasbaren Aktuator mit einer nichtlinearen Druck-Volumen-Kurve zu entwerfen und herzustellen, die ein Durchschlagartigesphänomen ermöglicht. Da eine einfache aufblasbare Hülle eine lineare, monotone Druck-Volumen-Reaktion hat (wenn keine Balloneffekte auftreten), wird das Durchschlagen allein durch die Metamaterialarchitektur induziert. Das zweite Ziel besteht darin, eine Methodik zu entwickeln, um vereinfachte Steuerschemata zu entfalten, indem die Schnappreaktion der Aktuatoren genutzt wird. Dieser Ansatz wird als „morphologische Steuerung“ bezeichnet, da er die physikalischen Eigenschaften des Systems nutzt, um eine Steuerungsaufgabe zu lösen. Ein Array von miteinander verbundenen Aktoren wird als nichtlineares fluidisches Netzwerk modelliert. Es wird ein Algorithmus entwickelt, um die nichtlinearen fluidischen Netzwerkgleichungen umzukehren und die Systemparameter basierend auf der gewünschten Reaktion, z. B. einem bestimmten sequenzierten Betätigungsmuster, zu erhalten. Schließlich werden die vorherigen Konzepte angewendet, um einen bimodalen Soft-Roboter-Demonstrator zu entwerfen und herzustellen, der sich sowohl an Land als auch im Wasser fortbewegen kann. Der in diesem Projekt vorgesehene Soft-Roboter wird einen einzigen Druckeingang für alle Aktoren haben. Die Sequenzen, die die Bewegungsmuster erzeugen, werden daher morphologisch gesteuert. Die in diesem Vorschlag vorgesehenen neuen Designs und Steuerungsprinzipien werden, um multifunktionale Soft Maschinen der nächsten Generation mit einem höheren Maß an verkörperter Intelligenz zu ermöglichen, von größter Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle