Japanische Forscher von der Yamagata University haben am 3D-Druck weicher Roboter gearbeitet. Dabei setzten sie auf den Einsatz von Hydrogelen für die additive Herstellung der Roboter. Die Forscher planen jetzt die 3D-gedruckten Aktuatoren in neuartige, von Quallen inspirierte, weiche Roboter zu integrieren. Das macht vielfältige Forschungsarbeiten möglich.

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Ein an der Yamagata University entwickelter vollständig 3D-gedruckter Aktuator könnte den beteiligten Forschern zufolge die Grundlage für einen quallenartigen weichen Roboter bilden. Das erklärten die Forscher in einer Arbeit mit dem Titel „Fully 3D-Printed Hydrogel Actuator for Jellyfish Soft Robots“  (PDF, 1.15 MB; öffnet in neuem Fenster), die im ECS Journal of Solid State Science and Technology veröffentlicht wurde.

Den Forschern gelang es, mit einem UV-basierten 3D-Drucker ein neu synthetisiertes P-DN-Hydrogel (Particle Double Network) zu einem Mechanismus auszuhärten, der sich ähnlich wie die Muskeln einer Mondqualle zusammenzieht. Mithilfe dieser Entwicklung soll nun ein kompletter Wasserroboter mit potenziellen Anwendungen zur Überwachung von Meerestieren entstehen. Forscher aus den USA haben zum Jahresbeginn ihr 3D-druckbares Smart Gel für weiche Robotik und flexible Displays vorgestellt.

Einsatzbereiche weicher Roboter

Quallen
Quallenähnliche, weiche Roboter mit Aktuatoren aus dem 3D-Drucker können in Katastrophen- und Krisengebieten eingesetzt werden aber auch für Forschungszwecke (Symboldbild echter, lebendiger Quallen).

Fortgeschrittene Modelle weicher Roboter sind in der Lage, mit Menschen zusammenzuarbeiten und an abgelegene Orte zu gelangen. Sie eignen sich für den Einsatz im Katastrophenmanagement, im Meeresschutz und im Gesundheitswesen. Unter Wasser können sie Informationen über den Ozean sammeln. Das gelingt am besten mit der Herstellung weicher Materialien, die die Fortbewegung der natürlichen Fauna imitieren.

Hydrogele bestehen zu 90% aus Wasser und sind somit geeigneter als Silikonelastomere für die „Beine“ der Bots. Die große Ähnlichkeit mit der Fortbewegung der Quallen machen sie zu einer guten Grundlage für einen marinefreundlichen Überwachungsroboter.

Details zur Forschungsarbeit

Zuerst synthetisierten die Forscher ein neuartiges vernetztes P-DN-Hydrogel aus einem harten und spröden ersten Polymer und einer weichen zweiten Schicht. Mit einem hohen Wassergehaltsverhältnis, einer ausgezeichneten Bedruckbarkeit und einer verbesserten Festigkeit bildet das Material eine feste duktile Basis für die Vorrichtung.

Die Forscher nutzten die fertige Formulierung mit einem UV-basierten 3D-Drucker, um sie in drei separate Teile zu polymerisieren: einen Verbinder, einen Sockel und eine Box. Sockel und Kasten sind dabei so konstruiert, dass sie durch Lufteinspritzen verformt werden. Das erzeugt die Kontraktionen, die für den Antrieb benötigt werden. Der Verbinder bringt einen Silikonschlauch am Körper des Stellantriebs an.

Mit fünf testweise 3D-gedruckten Prototypen erkannten die Forscher, dass die Elastizität des Gels stark von der Art des verwendeten Monomers und dem erreichten Vernetzungsgrad abhängt. Ähnlich entstanden die Aktuatoren mit Schichtbreiten von 0,4 bis 0,5, da dickere Schichten eine Quellung zeigten, die Inkonsistenzen über das Teil verursachte.

3D-Druck-Prozess Aktuatoren
Die Forscher druckten fünf Prototypen der Gelaktuatoren (im Bild: 3D-Druck-Prozess) (Bild © ECS Journal of Solid State Science and Technology).

In Kompressionstests wurde Luft über Schläuche in den Aktuator eingespritzt. Dessen Verformungen ließen sich durch Einstellen des Elastizitätsmoduls seiner Bestandteile kontrollieren. Das Gerät zeigte das gleiche Kontraktionsverhältnis wie das der abgeflachten Mondquallen. Den Forschern zufolge könnte es daher eine ideale Basis für eine vollständige Roboterreplik machen.

Das Yamagata-Team will seine Aktuatoren in einen neuartigen, von Quallen inspirierten Roboter integrieren, um diese in Meeresschutzanwendungen einzusetzen.

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