Schnurrhaare von semi-aquatischen Säugetieren sind nicht nur niedlich, sie helfen den Tieren vor allem beim Aufspüren ihrer Beute und damit beim Überleben. 3D-gedruckte Sensoren von Forschern der Jeju Universität ahmen solche Schnurrhaare der Seerobben nun nach. Dadurch erhofft sich das Forscherteam, Unterwasserrobotern künftig eine bessere Positionssteuerung zu ermöglichen und dient auch dem Umweltschutz und Erhalt der Ökologie unserer Weltmeere.

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Semi-aquatische Säugetiere wie Robben oder Walrosse haben Schnurrhaare, sogenannte Vibrissen, die sie sehr niedlich wirken lassen. Doch dieses niedliche Erscheinungsmerkmal hat auch eine nützliche Wirkung. Über die Schnurrhaare spüren die Tiere ihre Beute auf. Sie erkennen die Wirbel, die andere Tiere im Wasser zurücklassen und folgen ihnen.

Forscher der Abteilung für Mechatronik der Jeju National University in Südkorea wollen sich das zu Nutzen machen. Ein Sensor, der auf diese Jagdmethode basiert, sei für die Soft-Robotik und Unterwasserexploration wertvoll. In der Studie „Fully 3D Printed Multi-Material Soft Bio-Inspired Whisker Sensor for Underwater-Induced Vortex Detection“ hielten sie ihre Erkenntnisse fest. Sie druckten vier künstliche Schnurrhaarmodelle mit einem Mehrkopf-3D-Drucker mit Polyurethan und Graphen.

Künstliche Sensore für Unterwasserroboter sehr hilfreich.
Die künstlichen Sensore sollen helfen, Unterwasserrobotern künftig bei einer besseren Positionssteuerung, Navigation und Objekterkennung zu helfen.“(Bild © Mary Ann Liebert, Inc.).

„Die vier Graphenmuster (in Abständen von 90°) am Polyurethanzylinder ermöglichen die Strömungserkennung in alle Richtungen (0-360°). Die Länge und der Durchmesser der PUR-Zylinder- und Graphenmuster betragen 160 × 8 mm bzw. 60 × 0,3 mm“, erklären die Forscher. „Die Leitfähigkeit des gedruckten Graphenmusters beträgt 0,6 Ω-cm. Bei einem maximalen Verformungsabstand von 5 mm in jeder Richtung (0-360 °) wird eine wesentliche Widerstandsänderung beobachtet (von 5,09 × 10 3  bis 6,03 × 10 8  Ω). Die Widerstandsänderung in vier Richtungen (oben, unten, links und rechts) wird in einer Unterwasserumgebung untersucht.“

Die Wirbel im und gegen den Uhrzeigersinn wurden erzeugt, indem eine künstliche, 3D-gedruckte Fischflosse verwendet wurde. Der hochsensitive Schnurrhaar-Sensor ist der erste 3D-Druck-Sensor aus Polyurethan und Graphen. Mit dem Dual-Extruder-3D-Drucker konnten sie den Sensor selbst drucken. Der erste Kopf wurde aus Polyurethane gedruckt, der zweite Kopf für die Graphenmuster aus Filament.

Die gedruckte Basis und die Muster wurden mit Kupferband verbunden, die Signaldrähte mit Kupferband gelötet. Eine abschließende 1 mm Wasserschutzpolyurethanschicht wurde tauchbeschichtet und mit UV-Licht gehärtet.

Der Praxistest

Die Forscher testeten die Sensoren und erfassten die Wirbel, indem sie die analogen Signale, die Widerstandsänderungen anzeigen, digitalisierten und an einen Mikrocontroller schickten. Die Schnurrhaar-Sensoren mit ihrer Empfindlichkeit und mechanischen Zuverlässigkeit erfüllten ihren Zweck. Das Design und die Herstellung war einfach, schnell, kostengünstig und problemlos in der kommerziellen Anwendung einsetzbar. Die Studie war insgesamt erfolgreich, wird aber dennoch weiterentwickelt.

Die Tests erfüllten ihren Zweck
Die aufwendigen Tests erfüllten ihren Zweck (Bild © Mary Ann Liebert, Inc.).

„Dieses Papier ist ein wunderbares Beispiel für bioinspirierte Soft-Robotik“, sagte Barry A. Trimmer, PhD, Chefredakteur von Mary Ann Liebert, Inc., der die Studie veröffentlichte. „Die Autoren haben Beobachtungen eines natürlichen Systems verwendet, um einen materialbasierten Sensor zu bauen, der auf Unterwasserrobotern für eine bessere Positionssteuerung, Navigation und Objekterkennung verwendet werden kann.“

Im Sommer 2017 wurde ein erstes Unterwasserseeboot aus dem 3D-Drucker vorgestellt. Sollte es Neuigkeiten von der JeJu-Universität geben, werden wir darüber berichten. Abonnieren Sie gerne unseren kostenlosen Newsletter und bleiben Sie auf dem Laufenden.

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