Forscher an der Carnegie Mellon University am College of Engineering haben laut einer Pressemitteilung unter Verwendung von Meeresalgen neue Wege zum Bau natürlich zersetzbarer Roboter entwickelt. Aktuatoren werden traditionell aus synthetischen Polymeren, Gummi und Kunststoffen hergestellt und erhalten dadurch eine lange Lebensdauer und stabile Strukturen. Gehen sie jedoch während des Gebrauchs verloren, könnten diese beschädigt werden oder ein Risiko für die Umwelt darstellen. Mit ihrer Arbeit, die die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „Biodegradable, Sustainable Hydrogel Actuators with Shape and Stiffness Morphing Capabilities via Embedded 3D Printing“ im Fachjournal Advanced Functional Materials vorgestellt haben, wollen sie das ändern.
3D-gedruckte Aktuatoren aus Meeresalgen
Das interdisziplinäre Team wird von den Fakultätsmitgliedern Victoria Webster-Wood und Adam Feinberg geleitet.
In Zusammenarbeit mit Carmel Majidi und Lining Yao sucht es nach neuen Wegen zur Herstellung biologisch abbaubarer Aktuatoren für Meeresanwendungen. Das soll mit einer Biotinte aus Materialien gelingen, die aus gewöhnlichen Braunalgen gewonnen werden. Die Forscher identifizierten Designs und Druckparameter, um wasserdichte Strukturen mit der FRESH-Druckmethode zu ermöglichen. Damit gelang es ihnen, sehr weiche Aktuatoren herzustellen, die sich ausdehnen, biegen und verdrehen können.
Mit der Tinte auf Algenbasis, die auf Kalzium basiert, können sie auch zu Strukturen zum Greifen und Positionieren kombiniert werden, um sich zu vernetzen und Gele zu bilden. Die Forscher können die Materialeigenschaften nutzen, um Aktuatoren zu schaffen, die ihre Form und Steifigkeit ändern können, indem sie den Grad der Vernetzung in den Aktuatoren variieren.
Die vollständig biologisch abbaubaren Aktuatoren zersetzen sich unter natürlichen Meeresbedingungen innerhalb von sieben Tagen. Sie können auch sicher von Meeresorganismen verzehrt werden. Gehen die Aktuatoren verloren oder werden sie beschädigt, dann stellen sie somit nur noch ein minimales Risiko für die Umwelt dar.
Forscher aus Japan haben vor zwei Jahren 3D-gedruckte Aktuatoren für den Einsatz in quallenähnlichen Robotern präsentiert. Im vergangenen Jahr haben sich Forscher aus Linz ebenfalls das Ziel gesetzt, mit 3D-Druck Softroboter nachhaltiger und umweltfreundlicher zu machen.
Stimmen der Forscher
Wenhuan Sun, ein frischgebackener Doktorand. Student im Maschinenbau, erklärt:
„Wir freuen uns sehr, die Fertigungskapazitäten der FRESH-Druckmethode zu erweitern und sie für Soft-Roboter-Anwendungen zu optimieren. Die einzigartigen Vorteile von FRESH ermöglichen die Schaffung von Roboterstrukturen mit einer Kombination ungewöhnlicher Eigenschaften.“
Ravesh Sukhnandan, ein Ph.D. Student im Maschinenbau, sagte:
„Wie bringen wir den Bedarf an fortschrittlichen weichen Roboterstrukturen mit den potenziellen Umweltauswirkungen in Einklang, die sich aus ihrer Entstehung ergeben? Wir glauben, dass die mit FRESH gedruckten biologisch abbaubaren Aktuatoren eine vielversprechende Lösung sind, und wir freuen uns, weiterhin Verbesserungen vorzunehmen.“