Physiker machen Fortschritte bei der nächsten Generation von Shape-Shifter-Robotern

Ein Team von Physikern an der Universität Bath hat eine neue Methode entdeckt, um weiche Roboter mit Materialien zu überziehen, die es ihnen ermöglichen, effektiver zu bewegen und zu funktionieren. Diese neue Entwicklung wird zu der nächsten Generation von Shape-Shifter-Robotern führen.

Die Forschung wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Ein wichtiger Durchbruch bei aktiver Materie

Laut den Autoren der Studie könnte dieser neue Durchbruch bei der “aktiven Materie” ein wichtiger Wendepunkt im Roboter-Design sein. Wenn das Konzept weiterentwickelt wird, könnten Experten schließlich die Form, das Verhalten und die Bewegung eines weichen Festkörpers durch menschliche Aktivität auf seiner Oberfläche bestimmen, anstatt durch seine natürliche Elastizität.

Die Oberfläche der meisten weichen Materialien zieht sich zu einer Kugel zusammen, ähnlich wie Wasser zu Tropfen zusammenläuft. Dies geschieht, weil die Oberfläche von Flüssigkeiten und anderen weichen Materialien natürlicherweise auf die kleinste mögliche Oberfläche zusammenläuft. Aktive Materie kann jedoch so konzipiert werden, dass sie diesem Muster nicht folgt.

Mit diesen Techniken und aktiver Materie hoffen Experten, dass die nächste Generation von Maschinen aus vielen einzelnen aktiven Einheiten bestehen wird, die zusammenarbeiten, um die Bewegung und Funktion der Maschine zu bestimmen. Vor dieser Möglichkeit wurden diese Maschinen von einem zentralen Steuergerät gesteuert. Das neue Design ähnelt der Art und Weise, wie unsere eigenen biologischen Gewebe funktionieren.

Entwurf neuer weicher Maschinen

Wissenschaftler könnten diesen Entwurf verwenden, um weiche Maschinen mit Armen zu erstellen, die aus flexiblen Materialien bestehen und von Robotern angetrieben werden, die in der Oberfläche der Materialien eingebettet sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Größe und Form von Arzneimittel-Kapseln zu ändern, indem die Oberfläche von Nanopartikeln mit einem responsiven und aktiven Material überzogen wird.

Laut Dr. Jack Binysh, dem ersten Autor der Studie, ist einer der interessantesten Aspekte der neuen Entwicklung, dass sie unsere Sicht auf die “vertrauten Regeln der Natur” in Frage stellt.

“Aktive Materie lässt uns die vertrauten Regeln der Natur – Regeln wie die Tatsache, dass die Oberflächenspannung positiv sein muss – in einem neuen Licht sehen. Es ist aufregend, zu sehen, was passiert, wenn wir diese Regeln brechen und wie wir die Ergebnisse nutzen können”, sagt Dr. Binysh.

Dr. Anton Souslov ist ein entsprechender Autor der Forschung.

“Diese Studie ist ein wichtiger Beweis des Konzepts und hat viele nützliche Auswirkungen. Zum Beispiel könnte zukünftige Technologie weiche Roboter hervorbringen, die noch weicher und besser darin sind, empfindliche Materialien aufzunehmen und zu manipulieren”, sagt Dr. Souslov.

Die Forscher entwickelten Theorien und Simulationen, um ein 3D-weiches Festkörper-Modell mit einer Oberfläche zu beschreiben, die aktive Spannungen erfährt. Die Ergebnisse zeigten, dass die aktiven Spannungen die Oberfläche des Materials erweitern und das Festkörper-Modell darunter ziehen, was zu einer globalen Formänderung führt. Die Form, die das Festkörper-Modell annimmt, kann dann durch Änderung der elastischen Eigenschaften des Materials geändert werden.

Das Team der Forscher wird nun versuchen, dieses Prinzip anzuwenden, um spezifischere Roboter zu entwerfen, und sie werden tiefer in das kollektive Verhalten und das Geschehen eintauchen, wenn mehrere aktive Festkörper zusammengepackt sind.