Italienische Forscher entwickeln mit 4D-Druck biologisch abbaubaren Saatroboter zur Überwachung in der Landwirtschaft

Forscher des Istituto Italiano di Tecnologia in Genua haben laut einer Pressemitteilung einen biologisch abbaubaren, weichen und mit 4D-Druck herstellbaren Saatroboter vorgestellt, der wie ein Samenkorn geformt ist und seine Form als Reaktion auf Feuchtigkeitsänderungen ändert und durch den Boden navigieren kann. Beim 4D-Druck werden mit 3D-Druck dreidimensionale Objekte hergestellt, die als Reaktion auf Umweltfaktoren wie Licht oder Temperatur ihre Form oder Eigenschaften verändern können. Im Artikel „4D Printing of Humidity-Driven Seed Inspired Soft Robots“ im Fachjournal Advanced Science haben die Forscher ihre Arbeit veröffentlicht.

Strategie von Lebewesen imitieren

Bei der Forschungsarbeit aus Italien wurde die 4D-Technologie für die Entwicklung von weichen Robotern eingesetzt, der Boden analysieren kann. Inspiriert wurden die Forscher von der Samenstruktur der südafrikanischen Geranie (Pelargonium appendiculatum), die ihre Form als Reaktion auf die Umgebungsfeuchtigkeit ändert.

Barbara Mazzolai, korrespondierende Autorin der Studie, sagte:

„Unsere Studien begannen mit der Beobachtung der Natur, mit dem Ziel, die Strategien von Lebewesen oder deren Strukturen zu imitieren und sie in Robotertechnologien mit geringer Umweltbelastung in Bezug auf Energie und Umweltverschmutzung zu replizieren.“

Die Samen der Blütenpflanzenfamilie Gerianaceae, zu der Geranien gehören, nutzen ihre feuchtigkeitsaktivierten Eigenschaften, indem sie sich unter den richtigen Umweltbedingungen ablösen und ihre Form verändern. Sie dringen selbstständig in den Boden ein, was die Keimungschancen erhöht. Mit einer Kombination aus 3D-Druck- und Elektrospinning-Techniken replizierten die Forscher die Struktur und Biomechanik des Samens. Beim Elektrospinnen werden Fasern hergestellt, wobei geladene Polymere mit elektrischer Kraft auf Faserdurchmesser in der Größenordnung von einigen Hundert Nanometern gezogen werden.

Mit Fused Deposition Modeling druckten die Forscher eine Substratschicht aus Polycaprolacton (PCL), einem biologisch abbaubaren thermoplastischen Polyester, das mit Sauerstoffplasma aktiviert wurde, um es wasseranziehender (hydrophiler) zu machen. Sie fügten dem Substrat elektrogesponnene hygroskopische Fasern hinzu, die aus einer Polyethylenoxidhülle und einem Zellulose-Nanokristallkern bestanden. In Tests untersuchte der Roboter eine Bodenprobe und passte seine Form an, um mit seiner Rauheit und seinen Rissen zu interagieren. Der energieeffiziente Roboter konnte dabei das 100-fache seines Gewichts heben. Die niedrigen Kosten und das Design und die Datenerfassungsfähigkeiten in abgelegenen Gebieten könnten besonders nützlich sein, wie die Forscher erklärten. Die Arbeit ist Teil des I-Seed-Projekts, das darauf abzielt, eine neue Generation von selbst entfaltbaren und biologisch abbaubaren, weichen, miniaturisierten Robotern zu entwickeln, um eine kostengünstige, umweltverträgliche In-situ-Erkennung wichtiger Umweltparameter in der Luft und am Boden durchzuführen.

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Stimmen zur Entwicklung

Mazzolai sagte:

„Mit dieser neuesten Forschung haben wir weiter bewiesen, dass es möglich ist, innovative Lösungen zu entwickeln, die nicht nur das Ziel haben, das Wohlergehen unseres Planeten zu überwachen, sondern dies tun, ohne es zu verändern.“

Luca Cecchini, Erstautor der Studie, sagte:

„Diese biologisch abbaubaren und energieautonomen Roboter werden als drahtlose, batterielose Werkzeuge für die Erkundung und Überwachung von Oberflächenböden eingesetzt. Dieser bioinspirierte Ansatz hat es uns ermöglicht, kostengünstige Instrumente zu entwickeln, mit denen vor Ort Daten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung gesammelt werden können, insbesondere in abgelegenen Gebieten, in denen keine Überwachungsdaten verfügbar sind.“

Video zur Forschungsarbeit