Robotik
4D-gedruckte weiche Roboter können sich selbst zusammenbauen
Ein neuer 4D-gedruckter weicher Roboter, der von Forschern bei Cell Press entwickelt wurde, ist in der Lage, sich beim Erhitzen selbst zusammenzusetzen. Es kann Aufgaben wie das Bergaufrollen und das Navigieren durch unvorhersehbare Landschaften ausführen.
Der röhrenförmige Prototyp wurde in der Zeitschrift vorgestellt Materie September 22.
Wei Feng ist Materialwissenschaftler an der Tianjin-Universität in China und leitender Autor des Artikels.
„Wie ein Insekt mit Fühlern kann der Roboter ein kleines Hindernis überwinden. Aber wenn das Hindernis zu hoch ist, wird es umkehren“, sagt Feng. „Der gesamte Prozess erfolgt spontan ohne menschliches Eingreifen oder Kontrolle.“
4D-gedruckt mit der vierten Dimension
Der Roboter besteht zunächst aus einer flachen und rechteckigen Platte aus einem 3D-gedruckten Flüssigkristall-Elastomer, einem dehnbaren Kunststoffmaterial. Sobald die Oberfläche unter dieser Folie erhitzt wird, dreht sich der Roboter nach oben und bildet ein Röhrchen, das einer Feder ähnelt. Der Grund dafür, dass dieser Roboter 4D-gedruckt und nicht 3D-gedruckt ist, liegt darin, dass die Formänderung unter äußerer Stimulation die Zeit als vierte Dimension hinzufügt.
Der Kontakt mit der heißen Oberfläche führt zu einer Spannung im Material, nachdem der Roboter ein Röhrchen geformt hat. Dies wiederum führt dazu, dass der Roboter in eine Richtung rollt, wobei die Antriebskraft hinter der Bewegung extrem stark ist. Tatsächlich ist es so stark, dass der Roboter in der Lage ist, eine Steigung von 20 Grad zu erklimmen oder Gewichte zu tragen, die bis zum 40-fachen seines eigenen Gewichts betragen. Die Geschwindigkeit des Roboters hängt von seiner Länge ab, wobei die längeren Roboter schneller rollen als die kürzeren.
Testen der Roboter
Die Forscher ließen diese Roboter Aufgaben ausführen und ihre Fähigkeiten unter Beweis stellen, während sie aufgezeichnet wurden. Eines davon beinhaltete ein Rennen zwischen unterschiedlich großen Robotern und ein anderes, bei dem ein Wagen transportiert wurde. In diesen Videos demonstrierten die Roboter auch, wie sie ihr Verhalten je nach Umgebung ändern können. Wenn der Roboter auf ein herausforderndes Hindernis stößt, kann er beispielsweise eine Stufe hinaufklettern oder die Richtung ändern.
Der leitende Autor Feng war vom Verhalten des Roboters überrascht.
„Wir haben die Flüssigkristallelastomere durch 4D-Druck zu Proben verschiedener Formen verarbeitet und diese Proben mit Licht, Wärme und Elektrizität stimuliert, um ihre Reaktion zu beobachten“, sagt er. „Wir haben neben der Verformung viele interessante Antriebsphänomene gefunden.“
Den Forschern zufolge könnten diese Roboter in Zukunft dazu eingesetzt werden, Aufgaben an kleinen und beengten Orten, etwa in einem Rohr, zu erledigen. Sie könnten auch unter extremen Bedingungen eingesetzt werden, beispielsweise auf sehr heißen Oberflächen.
„Wir hoffen, dass Soft-Roboter nicht länger auf einfache Aktuatoren beschränkt sind, die nur in einer festen Position ihre Form ändern können“, sagt Feng.
