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Forscher der Tianjin University in China haben mittels 4D-Druck einen Soft-Roboter angefertigt, der sich bei entsprechender Stimulation selbst bewegen kann. Die röhrenförmige Konstruktion besteht aus einem Flüssigkristall-Elastomer und nutzt ausgeklügelte Faltmuster, um den eigenen Körper zu belasten. Auf diese Weise kann der 4D-gedruckte Softroboter nicht nur ebene Oberflächen überqueren, sondern auch anspruchsvollere Aufgaben erledigen, wie z. B. eine Steigung von 20° erklimmen oder eine Last mit dem 40-fachen seiner Eigenmasse ziehen. Die Forschungsergebnisse wurden in dem Paper „4D-printed untethered self-propelling soft robot with tactile perception: Rolling, racing, and exploring“ veröffentlicht.
Flüssigkristallelastomere für den 4D-Druck
Flüssigkristalline Elastomere sind eine Art flexibles Kunststoffmaterial, das sich beim Erhitzen zusammenziehen kann. Dies macht es zu einer großartigen Materialklasse für reversible Betätigungsanwendungen wie die Softrobotik, da mit ihnen große Arbeitsdichten erreicht werden können.
Im Fall des Softroboters der Universität Tianjin druckten die Forscher zunächst eine flache, rechteckige Platte aus Flüssigkristall-Elastomer und erhitzten die darunter liegende Oberfläche auf 160 °C und darüber hinaus. Bei dieser Temperatur verdreht sich der Roboter durch die Wärme der darunter liegenden Oberfläche zu einer Röhrchenform, die einer Spiralfeder ähnelt. Durch weiteren Kontakt mit der erhitzten Oberfläche wird das Material belastet, so dass es durch eine zappelnde Bewegung von selbst rollt.
Nützliches Werkzeug für neuartige Anwendungen wie Soft-Robotik
Nach dem Druck wurden mit dem Soft-Roboter einer Reihe von Leistungstests durchgeführt. Seine starke Antriebskraft ermöglichte es ihm in den Tests, eine 20°-Rampe zu erklimmen und eine Last zu tragen, die mehrfach schwerer war als er selbst.
Anschließend druckte das Team mehrere Roboter und ließ sie gegeneinander antreten, durch Stimulationen mit Licht, Wärme und Elektrizität. Dabei stellte sich heraus, dass die Länge der Roboter einen großen Einfluss auf ihre Geschwindigkeit hatte. Einer der längeren Roboter mit einer Spannweite von 10 cm erreichte auf ebener Fläche eine Geschwindigkeit von 48 cm/min.
Die durch den 3D-Druck gewährte Designfreiheit macht die 4D-Druck-Technologie zu einem unglaublich nützlichen Werkzeug für neuartige Anwendungen wie die Soft-Robotik. Für zukünftige Anwendungen erhoffen sich die Tianjin-Forscher, dass ihre Soft-Roboter auch in engen Räumen wie Rohren oder unter extremen Bedingungen über 200 °C arbeiten werden.
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