Intelligenter Antrieb – vom Schmetterling abgeschaut
Programmierbare keramische Mikrorollen für Soft- und Mikrorobotik nach Vorbild eines Saugrüssels entwickelt.
Forschende der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung haben winzige Rollen entwickelt, die sich mit Hilfe eines Magneten kontrolliert ab- und aufrollen lassen. Die intelligenten Materialien ermöglichen die Entwicklung effizienterer Antriebstechnologien für die Mikro- und Softrobotik, einem wirtschaftlich hochrelevanten Forschungsgebiet.
Neue Robotersysteme machen zunehmend von sich reden: Mikroroboter sind extrem kleine Roboter mit potenziellen Anwendungen etwa in der Medizin oder Industrie. Gleichzeitig entwickelt sich die Softrobotik, die auf flexible Materialien setzt, um Roboter anpassungsfähiger und sicherer zu machen. Wie in der makroskopischen Robotik müssen auch in der Mikro- und Softrobotik Aktuatoren Bewegungen oder Greifer steuern. Da die Gesamtsysteme in der Mikrorobotik jedoch viel kleiner sind und sie in der Softrobotik elastisch verformbar sein müssen, entstehen völlig neue Anforderungen an die Komponenten eines solchen Systems. Diese Anforderungen lassen sich oft nur mit neuen Materialien verwirklichen. Hier setzte ein Team rund um Zaklina Burghard, Gruppenleiterin am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart, an.
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„Mikro- und Softrobotik benötigen Antriebselemente, damit robotische Systeme greifen oder sich bewegen können“, sagt Burghard. „Wir haben nicht nur ein Material entwickelt, das sich dafür eignet, sondern eine Technologieplattform, um dünne funktionale Schichten innerhalb von Sekunden in dreidimensionale Mikrorollen zu verwandeln. Diese Mikrorollen dienen dann als Antriebselement.“ Die nun vorgestellte Technologieplattform baut auf einer langjährigen Forschungslinie von Burghard im Bereich bioinspirierter keramischer Materialsysteme auf.
Inspiriert von der eleganten Rollbewegung der Saugrüssel von Schmetterlingen und der kompakten Schneckenform des aufgerollten Rüssels entwickelten die Forschenden dünne Keramikschichten aus Vanadiumpentoxid, in die sie magnetische Nanopartikel eines Eisenoxids einlagerten. Diese wandelten sie mithilfe eines einfachen mechanischen Prozesses in dreidimensionale Mikrorollen um.
Mit einer feinen Rasierklinge werden die Schichten kontrolliert vom Träger abgelöst. Die Rasierklinge übernimmt dabei eine ähnliche Funktion wie ein Hobel: Sie biegt die Schicht kontinuierlich, sodass sie sich innerhalb weniger Sekunden zu einer Mikrorolle aufwickelt. Nähert sich der aufgerollten Schicht ein Magnet, entrollt sie sich wieder sekundenschnell.
Anders als von konventionellen Keramiken gewohnt, sind dünne Keramikschichten nicht spröde, sondern elastisch. Möglich wird dies durch das bioinspirierte Design der keramischen Nano- und Mikrostruktur. Ihre hierarchische Architektur verleiht dem Material eine außergewöhnliche Flexibilität, ohne seine Stabilität zu verlieren.
Die Forschenden haben wenige Mikrometer breite Rollen hergestellt, die aufgewickelt nur einige hundert Mikrometer Durchmesser haben. Abgerollt sind sie bis zu 25 mm lang. In Experimenten erweisen sich die Rollen als sehr widerstandsfähig: Selbst nach 5.000 Zyklen funktionieren sie noch tadellos. Die keramischen Mikrorollen sind in der Lage, mehr als das Dreißigfache ihres eigenen Gewichts zu bewegen. „Wir können die Mikrorollen auch flächig als programmierbare Matrix anordnen. Dann arbeiten mehrere Rollen simultan und koordiniert zusammen, um zum Beispiel das Anheben, Verschieben oder Bearbeiten eines Mikroobjekts möglich zu machen“, sagt Burghard. „Der Antrieb ist für mich nur der Anfang“, sagt Burghard.
Der Versuchsaufbau veranschaulicht ein mögliches Anwendungsszenario der Mikrorollen: Roboter-Greifarme. Quelle: U Stuttgart
„Die eigentliche Innovation ist die Technologieplattform. Wir wollen mit ihr künftig sowohl organische als auch anorganische magnetisch steuerbare Mikrorollen aus dünnen Schichten herstellen.“ Neben der Robotik wären solche programmierbaren Mikrosysteme auch für Elektronik, Sensorik, Energiespeicher und weitere multifunktionelle Mikrosysteme für verschiedene Anwendungsfälle interessant. [U Stuttgart / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
S. Kim, S. R. Kousik, P. Atanasova, et al., Mechanically Assisted Magnetic Actuation in Ceramic-Based Microscrolls for Fast and Durable Soft Robotic Systems, Adv. Mater., e74544, 8. August 2026; DOI: 10.1002/adma.74544 - Bioinspirierte Strukturierung (Zaklina Burghard), Abteilung Bioinspirierte Materialien, Institut für Materialwissenschaft, Universität Stuttgart
