Weiche Roboter aus einem Guss

Die Entwicklung weicher Roboter schreitet zügig voran. Im Vergleich zu ihren herkömm­lichen, aus Metall­teilen zusammen­gebauten Pendants, weisen sie einzig­artige Eigen­schaften auf, die sie für eine Vielzahl neuer Anwen­dungen empfehlen. So sind sie in der Regel flexibler und können ihr Potenzial überall dort entfalten, wo der Bewegungs­spielraum gering oder das Terrain unüber­sichtlich ist. Sie zwängen sich durch enge Spalten und gelangen an Orte, die sowohl für Menschen als auch für starres Gerät unzu­gänglich sind. Und eines Tages werden sie vielleicht sogar im Inneren unserer Körper ihre Arbeit verrichten.

Genau wie herkömm­liche Roboter müssen aber auch sie aus mehreren - wenn auch weichen - Kompo­nenten zusammen­gebaut werden. Ein Umstand, den eine chine­sische Forscher­gruppe an der Univer­sität Zhejiang so nicht länger hinnehmen will. Sie verfolgen die Vision eines Roboters, der aus nur einem einzigen Stück besteht und dennoch unter­schiedliche Funktionen erfüllt. Mit der Entwicklung eines Polymers, das einem Roboter sowohl seine Form verleiht als auch für seinen Antrieb sorgt, sind die Forscher ihrem Ziel nun einen Schritt näher­gekommen.

Zum einen lässt sich aus einem Blatt des neuen Materials wie beim Origami eine Figur falten. Im aktuellen Fall handelt es sich um einen Kranich, der durch eine an­schließende Wärme­behandlung stabi­lisiert wird. Zum anderen lässt sich das Material durch Bestrahlung so modi­fizieren, dass es lokal andere Eigen­schaften bekommt und sich die so behandelten Bereiche unter Temperatur­schwankungen ausdehnen beziehungs­weise zusammen­ziehen. Das ermög­licht es dem Origami-Kranich, mit seinen Flügeln zu schlagen.

An der Univer­sität Zhejiang beschäftigt man sich bereits seit Längerem mit Soft Robotics. So haben die Forscher dort schon 2014 einen elek­tronischen Fisch vorgestellt, der durch sanfte Bewegungen seiner Flossen ange­trieben wurde. Die Flossen bestanden aus einem über einen Rahmen gespannten Silikon­film. Als Antrieb beziehungs­weise „Muskel“ diente ein dielek­trisches Polymer, das sich beim Anlegen einer elek­trischen Spannung verbiegt. Strom­versorgung und Steuerung erfolgten über herkömm­liche elek­tronische Kompo­nenten, die der Roboter mit sich führte und so beim Schwimmen eine Effizienz erreichte, die vergleich­bar war mit einer echten Forelle.

Trotz dieses vielver­sprechenden Ergeb­nisses störten sich die Forscher der aktuellen Studie am kompli­zierten Aufbau des künst­lichen Fisches, der aus vielen unter­schiedlichen Komponenten zusammen­gebaut werden musste. Auch wenn ihre nun präsen­tierten, aus einem einzigen Stück Polymer­folie bestehenden Roboter noch eine deutlich geringere Funk­tionalität aufweisen, halten sie ihren Ansatz doch für richtungs­weisend und glauben, dass sich das neue Konzept auf unterschied­lichsten Ebenen durch­setzen könnte.

Die neu entwickelte Polyurethan­folie hat zwei wichtige Eigen­schaften. Zum einen lässt sie sich beliebig verformen oder falten und behält die neue Form, wenn man die induzierten Verspan­nungen bei einer Temperatur von 140 Grad Celsius ausheilt. Zum anderen kann man ihr lokal eine Art Formge­dächtnis verleihen. Dazu wird die Folie zunächst bei 80 Grad Celsius gedehnt und dann unter Aufrecht­erhaltung der Dehnung mit ultra­violettem Licht bestrahlt. Die Bestrahlung fixiert die durch die Dehnung ausge­richteten Polymer­ketten teilweise auch dann noch, wenn keine dehnende Kraft mehr wirkt. Aufgrund dieser teil­weisen Ausrichtung weist die Folie an den bestrahlten Stellen nun ein rever­sibles Form­gedächtnis auf: Bei einer Temperatur von null Grad Celsius dehnt sie sich aus, wird sie dagegen auf 80 Grad Celsius erhitzt, zieht sie sich wieder zusammen.

Da der so entstandene, rever­sible Antrieb seinen Ursprung in der Kristal­lisation und dem Schmelzen eines aniso­tropen Netzwerks hat, hängt die maximal erreich­bare Defor­mation von der ursprüng­lichen Dehnung vor der Bestrahlung ab und erreicht unter optimalen Bedingungen ein Maximum von vierzig Prozent. Sie bleibt unter mehr­fachen, zyklischen Anregungen durch Temperatur­schwankungen zwischen null und 80 Grad Celsius erhalten und zeigt auch nach über einem Monat Lagerung keine Verschlech­terung. Neben einfachen, linearen Dehnungen lassen sich mit der neuen Methode auch kom­plexere Verform­ungen wie Biegen oder Verdrehen reali­sieren.

Um mögliche Anwen­dungen für ihr neues Konzept anzudeuten, zeigen die Forscher einen Kranich, der mit den Flügeln schlägt. Dazu haben sie zunächst aus einem flachen Stück Folie eine einfache Kranich­figur gefaltet und die Form anschließend bei 140 Grad Celsius stabi­lisiert. An­schließend haben sie den Ansatz der Flügel lokal und unter Dehnung bestrahlt und so die nötigen Aktua­toren in das Material integriert. Da die Akti­vierung über die Umgebungs­temperatur erfolgt, bewegen sich die Flügel nur sehr langsam. Den Forschern zufolge wäre es aber denkbar, das Material so zu modi­fizieren, dass es über Induk­tion oder Bestrahlung thermisch angeregt werden kann.

Thomas Brandstetter

JOL