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Forschende der North Carolina State University haben Miniatur-Soft-Hydraulikaktoren vorgestellt, mit denen sich die Verformung und Bewegung von Soft-Robotern, die weniger als einen Millimeter dick sind, steuern lässt.
Die neue Technik basiert auf der Herstellung von weichen Robotern, die aus zwei Schichten bestehen. Die erste Schicht ist ein flexibles Polymer, das mittels 3D-Drucktechnologien hergestellt wird und ein Muster von Mikrofluidkanälen enthält. Die zweite Schicht ist ein flexibles Formgedächtnispolymer. Zusammen ist der weiche Roboter nur 0,8 Millimeter dick.
„Die Soft-Robotik ist für viele Anwendungen vielversprechend, aber es ist eine Herausforderung, die Aktoren zu entwerfen, die die Bewegung von Soft-Robotern in kleinem Maßstab antreiben“, sagt Jie Yin, korrespondierende Autorin eines Artikels über die Arbeit und außerordentliche Professorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State. „Unser Ansatz nutzt handelsübliche 3D-Drucktechnologien für mehrere Materialien und Polymere mit Formgedächtnis, um weiche Aktoren im Mikrobereich zu schaffen, die es uns ermöglichen, sehr kleine weiche Roboter zu steuern, was eine außergewöhnliche Kontrolle und Feinfühligkeit ermöglicht.“
Durch das Pumpen von Flüssigkeit in die Mikrofluidkanäle wird hydraulischer Druck erzeugt, der den weichen Roboter bewegt und seine Form verändert. Das Muster der Mikrofluidkanäle steuert die Bewegungs- und Formänderungen des weichen Roboters – ob er sich biegt, dreht oder anders bewegt. Zudem wird die Geschwindigkeit der Bewegung und die Kraft des Roboters durch die Menge und die Geschwindigkeit der eingeführten Flüssigkeit reguliert.
Wenn Benutzer die Form des weichen Roboters „einfrieren“ möchten, können sie moderate Hitze (64°C) anwenden und den Roboter kurz abkühlen lassen. Dies verhindert, dass der weiche Roboter in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, selbst wenn die Flüssigkeit aus den Mikrofluidkanälen entfernt wird. Um den Roboter wieder in seine ursprüngliche Form zu bringen, wird die Hitze erneut angewendet, nachdem die Flüssigkeit abgepumpt wurde.
„Ein Schlüsselfaktor ist dabei die Feinabstimmung der Dicke der Formgedächtnisschicht im Verhältnis zu der Schicht, die die mikrofluidischen Kanäle enthält“, sagt Yinding Chi, Mitautorin der Arbeit und ehemalige Doktorandin an der NC State. „Die Schicht mit dem Formgedächtnis muss dünn genug sein, um sich zu biegen, wenn der Druck des Aktuators ausgeübt wird, aber auch dick genug, damit der weiche Roboter seine Form auch nach dem Wegnehmen des Drucks beibehält.“
Um die Technik zu demonstrieren, haben die Forscher einen weichen Roboter-Greifer entwickelt, der kleine Objekte aufnehmen kann. Durch hydraulischen Druck schloss sich der Greifer um ein Objekt. Mit Hitze fixierten die Forscher den Greifer in seiner geschlossenen Position, auch nachdem der Druck entfernt wurde. Der Greifer konnte das Objekt transportieren und durch erneutes Erwärmen freigeben.
„Da diese Softroboter so dünn sind, können wir sie mit einer kleinen Infrarotlichtquelle schnell und einfach auf 64 °C aufheizen – und sie kühlen auch sehr schnell wieder ab“, sagt Haitao Qing, Mitautor der Arbeit und Doktorand an der NC State. “Diese ganze Reihe von Vorgängen dauert also nur etwa zwei Minuten. Und die Bewegung muss nicht unbedingt ein Greifer sein, der kneift. Wir haben auch einen Greifer demonstriert, der von Ranken in der Natur inspiriert wurde. Diese Greifer wickeln sich schnell um ein Objekt und umklammern es fest, so dass ein sicherer Griff möglich ist. Diese Arbeit dient als Proof-of-Concept für diese neue Technik, und wir sind gespannt auf mögliche Anwendungen für diese Klasse von Miniatur-Soft-Aktoren in kleinen Soft-Robotern, formverändernden Maschinen und in der Biomedizintechnik.”
Das Forschungspapier „Fully 3D-Printed Miniature Soft Hydraulic Actuators with Shape Memory Effect for Morphing and Manipulation“ wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Die Arbeit wurde von der National Science Foundation unterstützt.
