4D-gedruckte Weiche Roboter können sich selbst zusammenbauen

Ein neuer 4D-gedruckter weicher Roboter, entwickelt von Forschern bei Cell Press, kann sich selbst zusammenbauen, wenn er erhitzt wird. Er kann Aufgaben wie das Rollen bergauf und das Navigieren durch unvorhersehbare Landschaften ausführen.

Das rohrförmige Prototyp wurde in der Zeitschrift Matter am 22. September vorgestellt.

Wei Feng ist Materialwissenschaftler an der Tianjin-Universität in China und Senior-Autor des Papiers.

“Wie ein Insekt mit Antennen kann der Roboter ein kleines Hindernis überwinden. Aber wenn das Hindernis zu hoch ist, wird er zurückkehren”, sagt Feng. “Der gesamte Prozess ist spontan ohne menschliche Einflussnahme oder Kontrolle.”

4D-gedruckt mit vierter Dimension

Der Roboter ist zunächst eine flache und rechteckige Platte aus einem 3D-gedruckten flüssigkristallinen Elastomer, einer Art von Kunststoff, der dehnbar ist. Sobald die Oberfläche unter dieser Platte erhitzt wird, bildet der Roboter dann eine Röhre, die einer Feder ähnelt. Der Grund, warum dieser Roboter 4D-gedruckt und nicht 3D-gedruckt ist, liegt darin, dass die Veränderung der Form unter externer Anregung die Zeit als vierte Dimension hinzufügt.

Der Kontakt mit der heißen Oberfläche verursacht eine Dehnung im Material, nachdem der Roboter eine Röhre gebildet hat. Dies wiederum verursacht, dass der Roboter in eine Richtung rollt, wobei die treibende Kraft hinter der Bewegung extrem stark ist. Tatsächlich ist sie so stark, dass der Roboter in der Lage ist, eine 20-Grad-Steigung hinaufzuklettern oder Gewichte zu tragen, die bis zu 40-mal seinem eigenen Gewicht entsprechen. Die Geschwindigkeit des Roboters hängt von seiner Länge ab, wobei längere Roboter schneller rollen als kürzere.

Testen der Roboter

Die Forscher ließen diese Roboter Aufgaben ausführen und ihre Fähigkeiten demonstrieren, während sie aufgezeichnet wurden. Eine davon war ein Rennen zwischen den verschiedenen Größen von Robotern und ein weiterer, der einen Wagen transportierte. In diesen Videos demonstrierten die Roboter auch, wie sie ihr Verhalten an ihre Umgebung anpassen konnten. Wenn der Roboter auf ein schwieriges Hindernis traf, konnte er Dinge wie das Klettern eine Stufe hinauf oder das Ändern der Richtung tun.

Der Senior-Autor Feng war von dem Verhalten des Roboters überrascht.

“Wir verarbeiteten die flüssigkristallinen Elastomere in Proben verschiedener Formen durch 4D-Drucken und regten diese Proben mit Licht, Wärme und Elektrizität an, um ihre Reaktion zu beobachten”, sagt er. “Wir fanden viele interessante Antriebsphänomene neben der Deformation.”

Laut den Forschern könnten diese Roboter in Zukunft Aufgaben in kleinen und beengten Räumen, wie in einer Rohrleitung, ausführen. Sie könnten auch in extremen Bedingungen, wie auf sehr heißen Oberflächen, arbeiten.

“Wir hoffen, dass weiche Roboter nicht länger auf einfache Aktuatoren beschränkt sind, die nur ihre Form in einer festen Position ändern können”, sagt Feng.