Wende in der Robotik. Roboter bekommen künstliche Hände, die so viel können wie menschliche!

Das kalifornische Unternehmen 1X aus Palo Alto hat neue Hände für seinen Roboter NEO vorgestellt. Sie verfügen über 25 Freiheitsgrade, werden ähnlich wie beim Menschen durch Sehnen angetrieben und kommen laut Hersteller der menschlichen Geschicklichkeit, Kraft und Zuverlässigkeit nahe. Ziel war es, dem Roboter eine Gliedmaße zu geben, die einen Gegenstand nicht nur greift, sondern zugleich Informationen über ihn sammelt. NEO kann jetzt fast alles, was ein Mensch mit seinen Händen tut.

Bislang stießen humanoide Maschinen auf eine harte Realität. Es lag weder an der Software noch an den Kameras. Das Problem befand sich am Ende des Arms. Ein gewöhnlicher Zweifingergreifer kann drei Dinge: anheben, ablegen, drücken. Und alles, wofür ihn jemand programmiert, ist lediglich eine immer neue Kombination dieser drei Bewegungen. 1X behauptet, diese Einschränkung nun beseitigt zu haben.

Finger, die Fragen stellen und sofort eine Antwort erhalten

Nehmen Sie einen unbekannten Gegenstand in die Hand. Sie drücken ihn, um herauszufinden, wie hart er ist. Sie fahren mit dem Finger über seine Oberfläche, wiegen ihn in der Hand und ertasten seine Form. Dabei sehen Sie den Gegenstand nur selten an. Genau dieses Prinzip wollten die Ingenieure von 1X auf eine Maschine übertragen. Berührung ist ihrer Ansicht nach kein passiver Kanal wie das Bild einer Kamera. Sie ist ein Versuch. Die Hand stellt mit Kraft eine Frage und liest über dieselben Gelenke die Antwort aus.

Die meisten Roboterhände können das nicht. Sie funktionieren nur in eine Richtung. Man gibt eine Position vor, die Hand fährt dorthin, doch es kommen keine nützlichen Informationen zurück. Schuld daran ist meist das Getriebe. Bei üblichen Übersetzungen von 100:1 oder 200:1 verschluckt die Reibung die Berührungskräfte, bevor sie überhaupt den Motor erreichen. Der Roboter ist dadurch über seine eigenen Gelenke unempfindlich, weshalb Unternehmen ihn mit externen Sensoren ausstatten.

Die Hand von NEO löst das anders. Sie arbeitet mit einem Sehnenantrieb und sehr niedrigen Übersetzungen von etwa 5:1 bis 15:1. Alle 25 Freiheitsgrade (22 in den Fingern und der Handfläche, drei weitere im Handgelenk) werden kraftgeregelt, und die Gelenke lassen sich auch von außen bewegen. Drückt man auf einen Finger, gibt er nach und meldet zugleich, wie stark der Druck war. Die Kraft wirkt nach außen, die Information kehrt auf demselben Weg zurück. Das Unternehmen nennt dies Krafttransparenz, und genau sie macht aus einem einfachen Stoß eine Messung.

Daneben arbeitet noch ein weiterer stiller Sinn. Die Hand weiß jederzeit, in welcher Position sie sich befindet, ohne hinsehen zu müssen. So wie Sie mit geschlossenen Augen Ihre Fingerspitzen zusammenführen können.

Fähigkeiten der Hände von NEO

Die Liste der Fähigkeiten ist lang und ziemlich konkret. NEO baut Konstruktionen aus LEGO, holt einzelne Schrauben und Münzen aus einer Geldbörse, schraubt eine Glühbirne ein und wechselt sie, benutzt einen Schraubendreher und dreht einen Gegenstand direkt in der Handfläche. Er schließt den Reißverschluss einer Jacke, sortiert Trauben nach ihrer Farbe, gießt Tee aus einer Kanne ein, fängt einen weichen Ball, schließt ein USB-C-Ladegerät an, greift ein Weinglas und wischt eine Fläche mit einem Papiertuch und Reinigungsspray ab. Außerdem kann er sich in Gebärdensprache verständigen.

Geschicklichkeit ist eine Sache, Kraft eine andere. Das Spitzendrehmoment erreicht 3,5 Nm am Daumen und 2,6 Nm an den Fingergelenken, die Beugekraft an den Fingerspitzen beträgt bis zu 45 N. Das Handgelenk bringt ein Drehmoment von 17,75 Nm auf. Damit kann die Hand mit der gesamten Handfläche fest zugreifen, Werkzeuge bedienen, Gegenstände anheben und tragen, Türen öffnen und einen beladenen Wagen schieben. Zugleich erreicht sie eine Positioniergenauigkeit von zwei Zehntelmillimetern – genau in jenem Bereich kleiner Gegenstände, in dem ein Großteil der menschlichen Arbeit stattfindet.

Die künstliche Haut ähnelt der menschlichen

Für den letzten halben Millimeter sorgt künstliche Haut. Sie bedeckt die Fingerspitzen und weitere Flächen und erfasst die senkrecht wirkende Kraft, den Berührungspunkt sowie Scherkräfte. Dadurch erkennt NEO, wenn ihm ein Gegenstand zu entgleiten beginnt, und kann noch in Echtzeit reagieren. Das Unternehmen zeigt Aufnahmen, auf denen die Hand ein zerbrechliches Origami behutsam hält, ohne es zu beschädigen, sowie Druckkarten beim Händeschütteln.

Die Haut wurde gemeinsam mit den Sensoren im Inneren und den dahinterliegenden Sehnen entwickelt. Bei vielen Aufgaben reicht das Sehen allein nämlich nicht aus, insbesondere bei kleinen, transparenten, weichen oder verdeckten Gegenständen. Gerade hier ist die Rückmeldung durch Berührung entscheidend.

Gebaut, um lange zu halten

Eine Hand, die lernt, indem sie alles berührt, muss auch viel aushalten. Deshalb berücksichtigte 1X die Zuverlässigkeit von Anfang an – von der Führung der Sehnen über die Lager bis hin zur Elektronik. Die kompletten Finger und Antriebseinheiten durchliefen Millionen von Testzyklen, die Motoren wurden bei extremen Temperaturen geprüft und die Handgelenke hielten mehr als zwei Millionen Zyklen unter hoher Belastung stand.

Die gesamte Hand ist gemäß IP68 abgedichtet und besteht aus Materialien, die für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet sind. So kann sich NEO die Hände genau wie ein Mensch unter fließendem Wasser waschen. Die niedrigen Übersetzungen ermöglichen zusammen mit dem Sehnenantrieb außerdem, dass äußere Stöße die Finger gefahrlos zurückdrücken können. Zeitlupenaufnahmen zeigen, wie die Hand nachgibt, wenn jemand mit einem Hammer auf sie schlägt, wenn sie von einer sich schließenden Schublade eingeklemmt wird oder wenn sie gegen Styropor stößt. Eine Maschine, die die Welt durch Berührung kennenlernt, muss von Natur aus sanft sein. Schließlich ist diese Welt voller Menschen.

Kraft aus dem Unterarm

Die Motoren sitzen nicht in der Handfläche, sondern im Unterarm, also dort, wo auch beim Menschen der größte Teil der Greifkraft entsteht. Von dort ziehen die Sehnen über das Handgelenk bis in die Finger. Dadurch ist die Hand selbst leicht, kann dennoch große Kräfte entwickeln und bleibt kühl genug für den Dauerbetrieb.

1X entwickelt und fertigt praktisch alles in der eigenen Produktion: Motoren, Elektronik, Sensoren, Sehnen, Getriebe und Firmware. Diese tiefe Verzahnung ermöglicht schnelle Anpassungen und schrittweise Verbesserungen, die sich durch das Zusammensetzen fertiger Bauteile verschiedener Zulieferer nicht erreichen lassen.

Eine Zahl bezeichnet das Unternehmen als strategisch besonders wichtig. Hunderte dieser Hände sind bereits vom Band gelaufen, und 1X verfügt in diesem Jahr über die Kapazität, zehntausend Stück zu produzieren. Jedes Exemplar wird von Anfang bis Ende selbst gefertigt – vom Material für die Sehnen über die eigenen Motoren bis hin zu weichen Polymeren, der Haut und der Schicht aus Berührungssensoren.

Die Experten von 1X haben die Hand so konstruiert, dass sie dem Menschen in jeder relevanten Hinsicht ebenbürtig ist und gewöhnliche Alltagsaufgaben bewältigt. Ihrer Ansicht nach hat der Roboter damit gerade eine Schwelle überschritten, auf die die gesamte Branche lange gewartet hat.