3D-gedruckter Roboter, der sich mit “Schweiß” selbst kühlen kann

Forscher der Cornell University haben einen Soft-Roboter entwickelt, der mit einer Schweißfunktion die Temperatur regeln und dadurch eine Überhitzung verhindern kann. Für die Realisierung setzte das Team auf 3D-Druck.

Immer häufiger wenden sich Wissenschaftler bei der Entwicklung von Roboter der Natur zu. Sie lassen sich bei den technischen Umsetzungen von der Umwelt inspirieren. In diesem Fall nahm sich ein Forschungsteam von Cornell den Mechanismus der Abkühlung eines Menschen als Vorbild: das Schwitzen. Der menschliche Körper – wie auch nur einige wenige andere Säugetiere – reguliert seine Temperatur, indem er Wasser durch Schweißdrüsen abgibt. Die Verdunstung dieses Wassers auf der Haut bewirkt eine Abkühlung der Körpertemperatur.

“Die Fähigkeit zu schwitzen ist eines der bemerkenswertesten Merkmale des Menschen”, erklärte TJ Wallin, Co-Hauptautor und Forscher bei Facebook Reality Labs. „Schwitzen nutzt den Verlust von verdunstetem Wasser aus, um Wärme schnell abzuleiten und kann unter die Umgebungstemperatur abkühlen. Die Biologie hat uns als Ingenieure wie so oft einen hervorragenden Leitfaden geliefert.“

Das Team wollte Wege finden um die Wärmeentwicklung in Soft-Roboter zu managen. Im Gegensatz zu Robotern aus Metall, welche die Wärme schnell abführen können, sind Soft-Roboter aus synthetischen Materialien hergestellt, die typischerweise die Wärme halten. Anstatt einen Lüfter einzubauen, entwickelte das Team eine Methode, um die Roboter zum Schwitzen zu bringen.

Die Forscher verwendeten dafür die Multi-Material-SLA-3D-Drucktechnologie, um fingerähnliche Aktuatoren für einen weichen Roboter zu erstellen. Diese Aktuatoren wurden aus einer Kombination auszwei Hydrogelmaterialien gedruckt, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Wasser zurückzuhalten und auf Temperaturänderungen zu reagieren, mit „intelligenten Schwämmen“ verglichen werden.

Das erste Material, das die Basisschicht der Aktuatoren bildet, ist Poly-N-Isopropylacrylamid. Dieses Material schrumpft bei Temperaturen von über 30 Grad Celsius, wodurch das im Material enthaltene Wasser nach oben in die oberste Schicht, welche aus Polyacrylamid-Material besteht, gelangt.

Die oberste Schicht der fingerähnlichen Aktuatoren enthält eine Reihe von Poren in Mikrometergröße, die sich bei Temperaturen von 30 Grad Celsius ausdehnen und das Wasser von den Fingern ablassen. Wenn die Temperatur unter 30 Grad fällt, verengen sich die Poren wieder und der Schweiß hört auf zu tropfen.

Die Roboterschweißtechnik ist bemerkenswert effektiv. Nach Angaben des Forscherteams wurde die Oberfläche durch die Freisetzung und Verdampfung des Wassers in nur 30 Sekunden um 21 Grad Celsius gekühlt. Diese Abkühlungsrate ist etwa dreimal effizienter als das menschliche Schwitzen. In Kombination mit einem Lüfter kühlten die Roboterantriebe sechsmal schneller ab.

Die Arbeit zu dem Projekt wurde in Science Robotics unter dem Titel “Autonomic perspiration in 3D-printed hydrogel actuators” veröffentlicht.

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