Synthetisches Material ermöglicht es weichen Robotern, wie Pflanzen zu wachsen

Ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren an der University of Minnesota hat einen pflanzeninspirierten Extrusionsprozess entwickelt, der das Wachstum synthetischen Materials ermöglicht, was es weichen Robotern ermöglichen könnte, wie Pflanzen zu wachsen. Die Methode ist innovativ und neu, und die resultierenden Roboter könnten enge Räume, kompliziertes Gelände und sogar Bereiche innerhalb des menschlichen Körpers navigieren.

Die Forschung, die von der National Science Foundation finanziert wurde, wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Roboter, die “wachsen”, wenn sie sich bewegen

Chris Ellison ist ein Hauptautor des Papiers und Professor im Department of Chemical Engineering and Materials Science der University of Minnesota Twin Cities.

“Dies ist das erste Mal, dass diese Konzepte grundlegend demonstriert wurden”, sagte Ellison. “Die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren ist von entscheidender Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit unseres Landes und für die Einführung neuer Produkte. Auf der robotischen Seite werden Roboter immer mehr in gefährlichen, abgelegenen Umgebungen eingesetzt, und dies sind die Bereiche, in denen diese Arbeit einen Einfluss haben könnte.”

Weiche Roboter sind Roboter, die aus weichen und flexiblen Materialien statt aus starren Materialien bestehen, und diese neuen Arten von weichen wachsenden Robotern können neues Material erzeugen und “wachsen”, wenn sie sich bewegen. Sie könnten für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden und sind besonders nützlich für die Navigation in abgelegenen Bereichen, die Menschen nicht erreichen können. Reale Anwendungen könnten Inspektionen oder die Installation von unterirdischen Rohren umfassen oder die Navigation innerhalb des menschlichen Körpers.

Die weichen wachsenden Roboter, die wir derzeit haben, hinterlassen eine Spur von festem Material, und sie verwenden Wärme und/oder Druck, um das Material in eine mehr permanente Struktur umzuwandeln. Die Forscher vergleichen dies mit einem 3D-Drucker, der mit festem Filament gefüttert wird, um ein geformtes Produkt zu erzeugen. Trotzdem wird das weiche Material schwierig, wenn der Roboter um Ecken herum bewegt, was es schwierig für die Roboter macht, bestimmte Hindernisse zu überwinden.

Entwicklung neuer Extrusionsverfahren

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team ein neues Extrusionsverfahren. Das neue Verfahren beinhaltet, dass Material durch eine Öffnung gedrückt wird, um eine bestimmte Form zu erstellen, und es ermöglicht dem Roboter, sein synthetisches Material aus Flüssigkeiten statt aus Feststoffen zu erzeugen.

Matthew Hausladen ist der erste Autor des Papiers und ein Doktorand im Department of Chemical Engineering and Materials Science der University of Minnesota Twin Cities.

“Wir wurden wirklich von der Art und Weise inspiriert, wie Pflanzen und Pilze wachsen”, sagte Hausladen. “Wir nahmen die Idee, dass Pflanzen und Pilze Material an den Enden ihrer Körper hinzufügen, entweder an ihren Wurzelspitzen oder an ihren neuen Trieben, und übersetzten dies in ein ingenieurtechnisches System.”

Die Forscher wollten den Prozess nachahmen, bei dem Pflanzen Wasser verwenden, um die Bausteine zu transportieren, die sich in feste Wurzeln verwandeln, wenn die Pflanze nach außen wächst. Um dies mit synthetischem Material zu erreichen, vertraute das Team auf eine Technik, die als Photopolymerisation bezeichnet wird, die Licht verwendet, um flüssige Monomere in ein festes Material umzuwandeln. Der weiche Roboter kann diese Technologie verwenden, um Hindernisse und Kurven ohne die Notwendigkeit, festes Material zu ziehen, leichter zu navigieren.

Potentielle reale Anwendungen

Das Team sagt, dass das neue Verfahren auch in der Fertigung angewendet werden könnte, insbesondere in Anwendungen, die Wärme, Druck und Maschinen verwenden, um Materialien zu erzeugen und zu formen, die möglicherweise nicht benötigt werden.

“Ein sehr wichtiger Teil dieses Projekts ist, dass wir Materialwissenschaftler, Chemieingenieure und Roboter-Ingenieure alle involviert haben”, fuhr Ellison fort. “Indem wir all unsere unterschiedlichen Fachkenntnisse zusammenbringen, haben wir wirklich etwas Einzigartiges in dieses Projekt eingebracht, und ich bin zuversichtlich, dass keiner von uns dies alleine hätte tun können. Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, wie Zusammenarbeit es Wissenschaftlern ermöglicht, wirklich harte grundlegende Probleme zu lösen und gleichzeitig einen technologischen Einfluss zu haben.”

Das Team der Forscher umfasst auch die University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science Forscher Boran Zhao (Postdoktorand) und Lorraine Francis (College of Science and Engineering Distinguished Professor) sowie die University of Minnesota Department of Mechanical Engineering Forscher Tim Kowalewski (Associate Professor) und Matthew Kubala (Graduiertenstudent).