Forscher der North Carolina State University haben kürzlich die Entwicklung von Miniatur-Hydraulik-Aktuatoren vorgestellt, die in der Lage sind, die Bewegungen und die Formveränderung von weniger als einen Millimeter dicken Soft-Robotern zu steuern. Diese neuen Aktuatoren könnten potenziell in verschiedenen Bereichen wie kleinen Soft-Robotern, Formwandler-Maschinen und der biomedizinischen Technik eingesetzt werden.
Soft-Roboter und Formgedächtnismaterialien
Die Technik der Forscher basiert auf der Verwendung von kommerziell verfügbaren Multi-Material-3D-Drucktechnologien und Formgedächtnispolymeren.
Jie Yin, der Hauptautor der Studie und außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State, erklärt dazu:
„Die Soft-Robotik verspricht viele Anwendungen, aber es ist eine Herausforderung, Aktuatoren zu entwerfen, die die Bewegungen von Soft-Robotern im kleinen Maßstab antreiben. Unser Ansatz nutzt diese Technologien, um Soft-Aktuatoren im Mikromaßstab zu schaffen, die uns eine außergewöhnliche Kontrolle und Feinheit ermöglichen.“
Die Soft-Roboter bestehen aus zwei Schichten. Die erste Schicht ist ein flexibles Polymer, das mittels 3D-Druck erstellt wird und ein Muster aus Mikrofluidkanälen enthält. Die zweite Schicht besteht aus einem flexiblen Formgedächtnispolymer. Insgesamt ist der Soft-Roboter nur 0,8 mm dick.
Hydraulischer Druck und Formfixierung
Durch das Einpumpen von Flüssigkeit in die Mikrofluidkanäle wird ein hydraulischer Druck erzeugt, der den Soft-Roboter bewegt und seine Form verändert. Das Muster der Mikrofluidkanäle bestimmt dabei, ob der Roboter sich biegt, dreht oder andere Bewegungen ausführt. Die Menge und Geschwindigkeit der eingepumpten Flüssigkeit steuern die Bewegungsgeschwindigkeit und die aufgebrachte Kraft des Roboters.
Um die Form des Soft-Roboters zu „einfrieren“, kann eine moderate Hitze von 64 °C angewendet werden, bevor der Roboter kurz abkühlt. Dadurch bleibt die Form des Roboters erhalten, auch wenn die Flüssigkeit aus den Kanälen abgepumpt wird. Möchte man den Roboter wieder in seine ursprüngliche Form zurückversetzen, wird die Hitze erneut angewendet, nachdem die Flüssigkeit abgepumpt wurde, und der Roboter kehrt in seine Ausgangsform zurück.
Anwendungsbeispiele und zukünftige Möglichkeiten
Um die Technik zu demonstrieren, entwickelten die Forscher einen Soft-Roboter-Greifer, der kleine Objekte aufnehmen kann. Durch hydraulischen Druck schließt sich der Greifer um ein Objekt.
Haitao Qing, Mitautor der Studie und Ph.D.-Student an der NC State, erläutert:
„Weil diese Soft-Roboter so dünn sind, können wir sie schnell und einfach mit einer kleinen Infrarotlichtquelle auf 64 °C erhitzen – und sie kühlen auch sehr schnell ab. Die gesamte Serie von Operationen dauert nur etwa zwei Minuten.“
Zusätzlich haben die Forscher einen von Natur inspirieren Greifer demonstriert, der sich schnell um ein Objekt windet und es festhält.
Qing fügt hinzu:
„Dieses Papier dient als Machbarkeitsnachweis für diese neue Technik, und wir sind gespannt auf die potenziellen Anwendungen dieser Klasse von Miniatur-Soft-Aktuatoren in kleinen Soft-Robotern, Formwandler-Maschinen und der biomedizinischen Technik.“