Forscher entwickeln wasserbetriebenen Weichroboter, inspiriert von Seegurken

Ein Team von Forschern am Department of Mechanical Engineering der POSTECH hat einen wasserbetriebenen, selbstbetätigten Weichaktuator entwickelt, der schneller und stärker ist als herkömmliche Weichaktuatoren. Das Team wurde von Professor Dong Sung Kim, Dr. Andrew Choi und Hyeonseok Han geleitet.

Die Forschung wurde in der Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht.

MCT und Seegurken

Die neue Entwicklung wurde durch das mutable kollagene Gewebe (MCT) von Seegurken inspiriert. Der Körper einer Seegurke besteht aus MCT, das es ermöglicht, sich je nach Umgebung zu verhärten oder zu verweichen. Der elastische Modul von Seegurken kann sich bis zu 10-mal in nur wenigen Sekunden ändern, was es ihnen ermöglicht, durch kleine Spalten zu passen oder sich aufzublasen, um Raubtiere zu bedrohen. Sie können dies tun, indem sie Wasserstoffbrücken in kollagenen Geweben bilden oder zerstören, indem sie chemische Regulatoren steuern.

Aktuatoren sind starr und können ihre physikalischen Zustände durch Änderung des elektrischen Signals ändern, ähnlich wie ein Motor oder ein Schalter. Einige Weichaktuatoren können dagegen auf Wasser reagieren und es als Energiequelle nutzen. Für Weichrobotik, die Bewegungsfreiheit erfordert, können Weichaktuatoren helfen. Allerdings sind herkömmliche Weichaktuatoren oft zerbrechlich und langsam, was bedeutet, dass sie nicht effektiv eingesetzt werden können.

Überlegen gegenüber herkömmlichen Weichaktuatoren

Die Forscher ließen sich von dem MCT von Seegurken inspirieren, das sich frei verformen kann, indem es auf Wasser reagiert. Sie entwickelten dann einen Aktuator, der programmierbar ist und auf dem Bulk-PNIPAAm-Hydrogel basiert, das extrem flexibel ist. Es zeigte eine Aktuationskraft, die 200-mal größer und 300-mal schneller war als herkömmliche Weichaktuatoren, die Wasser als Energiequelle nutzen. Diese Aktuatoren können sogar Wasser als Energiequelle nutzen, wenn es 80 Grad Celsius hat.

Durch verschiedene Tests zeigte der Aktuator, dass er robust genug war, um seine ursprüngliche Form wiederherzustellen, wenn er 300 % Dehnung ausgesetzt war.

Laut dem Team könnte dieser Aktuator in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, einschließlich der industriellen und biomedizinischen Bereiche. Er könnte auch einen Unterschied in industriellen Robotern machen, insbesondere bei Greifern, die wie ein menschlicher Arm wirken und Materialien heben. Diese Art von Robot kann auch Wunden schließen und als künstliche Finger wirken.

“Der Weichroboter wird aktiv, wenn er mit Feuchtigkeit in Kontakt kommt, und ist flexibel und verformbar, um sich leicht an verschiedene Umgebungen anzupassen”, erklärte Professor Dong Sung Kim. “Dieser neu entwickelte Hydrogel-Aktuator ist sehr leistungsfähig und aktuiert schnell, um auch an Orten ohne Strom zu funktionieren, indem er chemische Energie nutzt.”

Die Forschung wurde durch das Mid-career Researcher Program und das Core Technology Biomedical Development Program des Ministeriums für Wissenschaft und IKT und der Nationalen Forschungsstiftung Koreas sowie durch das Alchemist-Projekt des Ministeriums für Handel, Industrie und Energie unterstützt.