Roboterhaut von POSTECH: Luftfolie kriecht wie Myosin

Das Vorbild: Myosin

Myosin ist das Motorprotein, das Muskeln kontrahieren lässt. Ein einzelnes Molekül stößt einen Aktinfaden ein kleines Stück weiter, löst sich, kehrt zurück und stößt erneut. Die Einzelkraft ist gering, doch viele Myosine zusammen erzeugen große Kräfte und lange Wege – auf sehr kleiner Bewegungsfläche.

Diesen Ablauf aus Stoßen und Zurückkehren übertragen Hyung Gon Shin, Wan Kyun Chung und Keehoon Kim auf die Oberfläche eines weichen Aktors. Shin forschte zuvor als Doktorand an POSTECH und arbeitet heute in der Abteilung Future Robotics von Samsung Electronics; Chung und Kim sind Professoren am Department of Mechanical Engineering in Pohang. Die Studie erschien am 1. Juli 2025 in Nature Communications, die Hochschule verbreitete am 1. August 2025 eine Pressemitteilung dazu.

Aufbau: 24 Kammern in zwei Ebenen

Der Aktor, im Paper „Robot Skin Actuator“ (RSA) genannt, ist 42 Millimeter lang, 38 Millimeter breit und 1,5 Millimeter dick. Auf der Oberfläche sitzen zwölf Noppen in drei Reihen und vier Spalten, jede 1,5 Millimeter hoch. Unter jeder Noppe liegen zwei flache, quadratische Luftkammern in unterschiedlichen Schichten, die sich zur Hälfte überlappen. Werden die beiden Kammern in passender Reihenfolge aufgeblasen, beschreibt die Noppenspitze eine rautenförmige Bahn: Im unteren Teil schiebt sie das Objekt, im oberen kehrt sie zurück, während andere Noppen den Gegenstand halten.

Die 24 Kammern sind in sechs Gruppen zusammengefasst. Ein in den Körper eingebauter Kanalverbund aus mehreren Lagen Polyimidfolie verteilt die Luft aus sechs Anschlüssen auf die Kammern. Den Kammerkörper fertigt das Team aus zwei Schichten Silikon (PDMS), die mit Sauerstoffplasma verbunden werden; eine Maske lässt dabei die späteren Hohlräume unverklebt. Über die Phasenlage der sechs Druckeingänge bewegt die Oberfläche Objekte nach links, rechts, oben und unten oder dreht sie im und gegen den Uhrzeigersinn. Die Kammern arbeiten mit 60 und 30 Kilopascal.

Die Autoren grenzen ihren Ansatz von dünnen Kriechrobotern mit piezoelektrischem, elektrostatischem oder temperaturempfindlichem Hydrogel-Antrieb ab: Diese Energiequellen lieferten nur begrenzte Kräfte. Druckluft erlaube bei geringem Eigengewicht hohe Lasten.

Messwerte aus dem Labor

Der Aktor wiegt 2,94 Gramm und bewegte ein Objekt von 227 Gramm, rund das 77-Fache seines Gewichts. Gemessen wurden eine maximale Seitkraft von 0,429 Newton und ein Drehmoment von etwa 6,9 Newtonmillimetern. Die höchste Geschwindigkeit lag bei 2,139 Millimetern pro Sekunde, erreicht mit 11 Gramm Last und 11,3 Hertz Ansteuerfrequenz. Mehr ließ das Magnetventil nicht zu, das bei etwa 11 Hertz an seine Grenze kommt. Mit 227 Gramm Last sank das Tempo auf 0,31 Millimeter pro Sekunde.

Auf Glas, nassem Glas, Holz, PVC und PET kam der Aktor voran; bei höheren Frequenzen war er auf rutschigen Oberflächen langsamer. Unter Wasser schob er einen Golfball. Um einen Kunststoffzylinder von 8,8 Millimetern Durchmesser gebogen, bewegte er diesen weiterhin.

Drei Vorführungen

Im Rohrversuch klebten die Forscher den Aktor auf eine kabelgebundene Inspektionskamera von 33 Millimetern Durchmesser und 68,6 Gramm Gewicht. Im Rohr mit 39 Millimetern Innendurchmesser blieb ein Spalt von etwa drei Millimetern. Der Aktor schob die Kamera bis zu einem netzartigen Hindernis, drehte sie, damit sich ein Haken verfing, und zog das Netz anschließend heraus.

Im zweiten Versuch saßen zwei Aktoren auf den Backen eines einfachen Zweifinger-Greifers. Ein Quader von 40 × 40 × 80 Millimetern und 15 Gramm wurde im Greifer gedreht und seitlich in eine Öffnung geschoben, ohne dass sich der Roboterarm bewegte. Der dritte Versuch war der Lasttransport unter Wasser.

Grenzen und Einordnung

Der Druckluftgenerator steht außerhalb, der Aktor hängt an sechs Schläuchen mit zusammen weniger als drei Millimetern Durchmesser. Ein eigenständiger Roboter wäre erst möglich, wenn sich die Druckerzeugung verkleinern lässt; die Autoren verweisen dafür auf weiche, rein pneumatische Signalgeber aus anderen Arbeiten.

Die Pressemitteilung der Hochschule beschreibt den Aktor als „so dünn wie Papier“ und nennt Operationsroboter, Industrieinspektion, Rohrreinigung sowie Haushalts- und Pflegeroboter als mögliche Einsatzfelder. Das Paper selbst gibt 1,5 Millimeter Dicke an, also ein Vielfaches eines Papierblatts, und hat keine dieser Anwendungen erprobt. Keehoon Kim sieht den Kern der Arbeit darin, „ein komplexes dreidimensionales pneumatisches Netzwerk in eine dünne, flexible Struktur zu integrieren und so mit einem bioinspirierten Ansatz Bewegungen in mehrere Richtungen zu ermöglichen“ (Übersetzung).

Gefördert wurde die Arbeit von der National Research Foundation of Korea, dem koreanischen Wissenschaftsministerium und dem Industrieministerium.