Fortschritte in der Aktuatorentwicklung für die Robotik der Zukunft

Die Robotik hat in den letzten Jahrzehnten bemerkenswerte Fortschritte erzielt, angetrieben durch Entwicklungen in der künstlichen Intelligenz (KI) und der Sensorik. Eine grundlegende Komponente, die jedoch oft im Hintergrund bleibt, sind die Motoren, die als Aktuatoren für Bewegungen verantwortlich sind. Ihre Effizienz, Größe, Gewicht und Kosten sind entscheidende Faktoren für die breite Akzeptanz und Leistungsfähigkeit zukünftiger Robotersysteme, insbesondere in anspruchsvollen B2B-Anwendungen.

Die Rolle der Aktuatoren in der modernen Robotik

Aktuatoren sind die "Muskeln" eines Roboters. Sie wandeln Energie in Bewegung um und bestimmen maßgeblich die Agilität, Kraft und Reichweite eines Systems. Während KI-Fortschritte Robotern ermöglichen, komplexere Entscheidungen zu treffen und ihre Umgebung besser zu verstehen, bleiben die physischen Grenzen der Aktuatoren eine Herausforderung. Für Anwendungen, die von industriellen Handhabungsrobotern bis hin zu chirurgischen Assistenten reichen, sind Motoren erforderlich, die präzise, dynamisch und energieeffizient arbeiten können.

Traditionelle Elektromotoren, die für kontinuierliche, gleichmäßige Aufgaben konzipiert wurden, zeigen bei dynamischen und komplexen Bewegungsabläufen deutliche Effizienzmängel. Dies führt zu hohem Energieverbrauch und Wärmeentwicklung, was die Betriebszeit batteriebetriebener Systeme einschränkt und die Lebensdauer der Komponenten verkürzt. Um diese Herausforderungen zu überwinden, bedarf es neuer Ansätze in der Aktuatorentwicklung.

Innovationen in der Aktuatorentwicklung

Federunterstützte Aktuatoren und Energie-Recycling

Ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Effizienz ist die Entwicklung federunterstützter Aktuatoren. Forscher der Stanford University haben einen Aktuator entwickelt, der Federn und Kupplungen nutzt, um dynamische Aufgaben mit einem Bruchteil des Energiebedarfs herkömmlicher Elektromotoren zu bewältigen. Das Prinzip basiert darauf, die Fähigkeit von Federn zu nutzen, Kraft zu erzeugen, ohne dabei ständig Energie zu verbrauchen. Wenn der Aktuator beispielsweise ein schweres Objekt senkt, werden Federn gespannt, um einen Teil der Last vom Motor zu nehmen. Diese gespeicherte Energie kann dann für eine spätere Aufgabe genutzt werden, was den Energieverbrauch erheblich reduziert.

Das Kernstück dieser Technologie sind elektroadhäsive Kupplungen. Diese leichten, kleinen und energieeffizienten Kupplungen ermöglichen das schnelle und präzise Ein- und Auskuppeln der Federn. Durch die Kombination von sechs identischen, gekuppelten Federn mit einem Motor konnte in Tests der Stromverbrauch um mindestens 50 Prozent, in Bestfällen sogar um bis zu 97 Prozent, gesenkt werden. Eine solche Effizienzsteigerung könnte die Betriebszeit von Robotern von wenigen Stunden auf einen ganzen Tag verlängern, was ihre Einsatzmöglichkeiten in vielen Bereichen, von Prothesen bis hin zu autonomen Inspektionsrobotern in gefährlichen Umgebungen, revolutionieren könnte.

Fortschritte in der Motorentechnologie

Gleichzeitig treiben Ingenieure die Entwicklung herkömmlicher Motoren voran, um sie leistungsfähiger, präziser und nachhaltiger zu machen. Verbesserungen bei der Wicklungsgenauigkeit und der Einsatz neuer Permanentmagnete ermöglichen kleinere Motoren, die dennoch die gleiche Leistung erbringen. Durch eine präzisere Bearbeitung können die Luftspalte zwischen Spulen und Magneten minimiert werden, was die Motoren nicht nur kleiner, sondern auch effizienter macht. Dies führt zu einem höheren Drehmoment-Gewichts-Verhältnis, was wiederum die Nutzlastkapazität von Robotern erhöht oder deren Gesamtgröße reduziert.

Auch die Rückmeldesysteme, wie hochauflösende Encoder, tragen zur Steigerung der Genauigkeit bei und ermöglichen eine feinere Abstimmung der Motorsteuerung. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für hochpräzise Robotik-Anwendungen und verbessert die Wiederholgenauigkeit sowie den Durchsatz. Insbesondere für kollaborative Roboter (Cobots) sind kleine Motoren mit hoher Leistungsdichte entscheidend, um die Sicherheit im Zusammenspiel mit Menschen zu gewährleisten und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit zu steigern.

Materialwissenschaft und Fertigungstechniken als Schlüssel

Die Weiterentwicklung der Motorentechnologie ist untrennbar mit Fortschritten in der Materialwissenschaft und den Fertigungstechniken verbunden.

Neue Materialien für Motorkerne, Wicklungen und Magnete

• Motorkerne: Die Verwendung von Stahl mit höherem Siliziumgehalt (bis zu 6,5 %) und geringerer Laminierungsdicke reduziert Kernverluste und verbessert die Effizienz. Legierungen aus Eisen und Nickel sowie Eisen und Kobalt (Permendur) bieten ebenfalls überlegene magnetische Eigenschaften, sind jedoch oft teurer und finden daher spezifische Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt. Dual-Phase-Materialien, die selektiv magnetische Eigenschaften steuern können, versprechen ebenfalls eine verbesserte Leistungsdichte durch Reduzierung von Streuflüssen.
• Statorwicklungen: Kupfer ist aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit weiterhin das bevorzugte Material. Aluminium bietet Vorteile bei Gewicht und Kosten, hat aber eine geringere Leitfähigkeit. Neue Entwicklungen konzentrieren sich auf Kupfer-Aluminium-Verbundwicklungen oder die Integration von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphen in Kupfer, um die elektrische Leitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit zu verbessern. Solche Verbundmaterialien könnten die Strombelastbarkeit von Wicklungen um das Hundertfache erhöhen.
• Rotormagnete: Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Magnete sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte weit verbreitet. Die Forschung konzentriert sich auf die Reduzierung oder Eliminierung seltener Erden wie Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb), deren Preise schwanken und deren Lieferketten unsicher sind. Alternativen umfassen die Mischung verschiedener Magnetmaterialien, die Entwicklung von Magneten mit geringerem Dy-Gehalt durch Korngrenzendiffusion oder den Einsatz von Polymerverbundmagneten, die geringere Kosten und eine flexiblere Formgebung ermöglichen.

Additive Fertigung (3D-Druck)

Die additive Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, bietet neue Möglichkeiten für die Herstellung komplexer Motorkomponenten. Sie ermöglicht die Produktion von Teilen mit optimierter Geometrie, die mit herkömmlichen Methoden nicht realisierbar wären. Dies umfasst:

• Motorkerne: Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung von Motorkernen mit komplexen internen Strukturen, die die Kühlung verbessern und das Gewicht reduzieren können. Obwohl das Fehlen von Laminierungen bei 3D-gedruckten Kernen zunächst zu höheren Wirbelstromverlusten führen kann, wird dies durch die Verwendung von Materialien mit höherem Siliziumgehalt und optimierten Designs kompensiert.
• Statorwicklungen: AM eröffnet die Möglichkeit, Wicklungen mit integrierten Kühlkanälen herzustellen, beispielsweise Hohleiter, die eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglichen. Dies erhöht die Stromdichte und damit die Leistungsdichte der Motoren.
• Rotormagnete: Der 3D-Druck von Magneten ermöglicht die Herstellung von "Near-Net-Shape"-Magneten, die kaum Nachbearbeitung erfordern und somit Materialabfall reduzieren. Darüber hinaus kann AM die Korntextur von Magnetmaterialien steuern, um deren magnetische Eigenschaften zu optimieren und die Abhängigkeit von seltenen Erden zu verringern.

Herausforderungen und Chancen für die B2B-Robotik

Die Integration dieser fortschrittlichen Motorentechnologien in B2B-Robotiklösungen bringt sowohl Herausforderungen als auch erhebliche Chancen mit sich.

Herausforderungen

• Kosten: Neue Materialien und additive Fertigungsprozesse sind oft teurer als herkömmliche Methoden. Die Skalierung der Produktion und die Senkung der Herstellungskosten sind entscheidend für eine breite Akzeptanz.
• Materialverfügbarkeit und Komplexität: Die Verfügbarkeit bestimmter Hochleistungsmaterialien kann begrenzt sein, und die Verarbeitung neuer Legierungen und Verbundwerkstoffe erfordert spezialisiertes Know-how und Ausrüstung.
• Standardisierung und Qualifizierung: Für B2B-Anwendungen sind hohe Zuverlässigkeit und definierte Leistungsgarantien unerlässlich. Die Qualifizierung neuer Materialien und Fertigungsprozesse für industrielle Standards ist ein langwieriger Prozess.
• Wärmemanagement: Während höhere Leistungsdichten angestrebt werden, bleibt das Wärmemanagement eine kritische Aufgabe, insbesondere bei kompakten Designs.
• Umweltauswirkungen: Die ordnungsgemäße Entsorgung und das Recycling neuer Materialien, insbesondere bei 3D-Druckabfällen, stellen eine Herausforderung dar, die frühzeitig adressiert werden muss.

Chancen

• Erhöhte Autonomie und Betriebszeit: Energieeffizientere Motoren ermöglichen längere Betriebszeiten für mobile Roboter und reduzieren den Bedarf an häufigen Ladevorgängen, was die Produktivität in industriellen und logistischen Anwendungen steigert.
• Kleinere und leichtere Robotersysteme: Eine höhere Leistungsdichte und ein besseres Drehmoment-Gewichts-Verhältnis führen zu kompakteren und leichteren Robotern. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen, bei denen Platz und Gewicht kritisch sind, wie z.B. in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik oder bei kollaborativen Robotern.
• Neue Anwendungsfelder: Verbesserte Aktuatoren eröffnen Möglichkeiten für Roboter in Bereichen, die bisher aufgrund von Leistungseinschränkungen oder Kosten nicht zugänglich waren, beispielsweise in der Landwirtschaft, im Dienstleistungssektor oder in der Erkundung gefährlicher Umgebungen.
• Kostensenkung auf lange Sicht: Obwohl die anfänglichen Investitionen höher sein können, können energieeffizientere und langlebigere Motoren die Gesamtbetriebskosten von Robotersystemen langfristig senken.
• Nachhaltigkeit: Die Entwicklung von Materialien mit geringerem oder ohne Einsatz seltener Erden sowie die Reduzierung von Materialabfällen durch additive Fertigung tragen zu einer nachhaltigeren Robotik bei.

Fazit

Die zukünftige Entwicklung der Robotik, insbesondere für anspruchsvolle B2B-Anwendungen, hängt entscheidend von der Evolution der Aktuatorentwicklung ab. Die Integration von federunterstützten Aktuatoren, die Nutzung fortschrittlicher Materialien für Motorkerne, Wicklungen und Magnete sowie die Anwendung additiver Fertigungsverfahren sind Schlüsselelemente, um Roboter leistungsfähiger, effizienter und letztlich auch erschwinglicher zu machen. Unternehmen, die in diesen Bereichen investieren und die neuen Technologien strategisch einsetzen, können sich einen Wettbewerbsvorteil sichern und die nächste Generation intelligenter, autonomer Systeme gestalten.

Die Vision von vielseitigen und kostengünstigen Robotern, die in der Lage sind, komplexe Aufgaben in verschiedenen Branchen zu übernehmen, rückt durch diese technologischen Fortschritte näher. Die Fokussierung auf die "Muskeln" der Roboter – die Motoren – ist dabei ebenso wichtig wie die Weiterentwicklung ihres "Gehirns" – der KI.

Bibliography: - A replacement for traditional motors could enhance next-gen robots. Stanford University School of Engineering, 2024. - Anderton, J. To make household robots widely available, it's about actuators, not AI. The Robot Report, 2024. - George, A. Revolutionizing robotics with motors. Carnegie Mellon College of Engineering, 2025. - Hsieh, T.-H.; Yeon, S.H.; Herr, H. Energy Efficiency and Performance Evaluation of an Exterior-Rotor Brushless DC Motor and Drive System across the Full Operating Range. Actuators 2023, 12, 318. - Kevan, T. Motor Technology Improvements Make Robots More Capable. Robotics 24/7, 2022. - Usman, A.; Saxena, A. Technical Roadmaps of Electric Motor Technology for Next Generation Electric Vehicles. Machines 2025, 13, 156. - willemwortel. The Cheapest and Easiest Robot Motors: 7 Steps. Instructables.