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An der Johannes Kepler Universität Linz haben Forscher mit 3D-Druck Softroboter mit integrierten Sensornetzwerken hergestellt. Diese können sich auf das Sechsfache ihrer ursprünglichen Länge ausdehnen. Mit ihrer Arbeit wollen die Forscher die Verwendung nicht biologisch abbaubarer Materialien und die daraus wachsenden Umweltauswirkungen reduzieren.
Die Ergebnisse ihrer Forschung haben die Wissenschaftler in einem Artikel mit dem Titel „3D printing of resilient biogels for omnidirectional and exteroceptive soft actuators“ im Fachjournal Science Robotics veröffentlicht. Vergangenen Oktober haben wir einen 3D-gedruckten Softroboter vorgestellt, der selbstständig rollen und klettern kann.
Wenig Nachhaltigkeit und geringe Flexibilität
Bisher ist es eher so, dass die Materialien für Softrobotik nicht biologisch abbaubar sind oder aus nicht erneuerbaren Quellen stammen. Eingesetzte Roboter können oftmals nicht zurückgeholt werden oder haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Mit traditionellen Methoden wie dem Formguss ist es zudem schwer, die Komplexität der Kreationen der Natur nachzubilden. Ein maßgeschneiderter FDM-basierter 3D-Druck-Prozess soll beide Probleme lösen. Als Material wird eine vollständig biologisch abbaubare Tinte auf Gelatinebasis in stabile, komplexe Softroboter mit integrierten Sensornetzwerken gedruckt. Forscher aus Australien haben bereits 2019 die wachsende Bedeutung von 4D-Druck für „Soft Robotics“ untersucht.
Biologisch abbaubare Tinte auf Gelatinebasis
Die für die gewählten Verbesserungen entwickelte Technik basiert auf vollständig abbaubaren Hydrogelen auf Gelatinebasis, die ergänzt mit Glycerol und Zuckersirup die gewünschten Einstellbarkeits- und Dehnbarkeitseigenschaften liefert. Die thermoreversiblen Biogele können bis zu fünfmal wiederverwendet werden und behalten ihre Dehnbarkeit bei.
Die Forscher passten ein vorhandenes Pastenextruderdesign an und integrierten es neben einem zweistufigen Heizsystem in einen MakerBot 2X 3D-Drucker, um den Gelierungsprozess besser steuern zu können. Damit druckten sie sowohl den Hauptkörper der Softroboter als auch die eingebetteten dehnbaren Wellenleitersensoren. Diese verliehen den Geräten ihre Proprio- und Exterozeptionsfähigkeiten. Die integrierten Netzwerke aus dehnbaren Wellenleitern ermöglichten es den Softrobotern, ihre Navigation zu steuern und durch die Übertragung von Licht mit ihrer Umgebung zu interagieren.
3D-Druck nachhaltiger Softroboter
In einem Ein-Schritt-Prozess wurden 2 x 2 mm große Slab-Wellenleiter gedruckt und mit Leuchtdioden und Fotodioden verbunden, um die Sensoren zu vervollständigen. Die Wellenleiter fungierten als Berührungssensoren bei Kontakt mit externen Objekten. Das Zusammendrücken eines Bereichs entlang des Wellenleiters durch eine externe Kraft führte zur Abnahme der übertragenen Intensität, da Licht am Kraftpunkt absorbiert oder gestreut wurde.
Die Forscher nutzten den Effekt und bauten ein Controller-Pad mit sechs Tasten, das ein Netzwerk aus drei Wellenleitern enthält. Die Tasten des Wellenleiternetzwerks komprimieren bei Berührung an verschiedenen Positionen, was zeigt, welche Taste gedrückt wurde.
Ein biologisch abbaubarer Dreikammer-Aktuator mit einem 16,6 mm großen Durchmesser und einer Höhe von 60 mm wurde für den Softroboter mit dem 3D-Drucker gedruckt. Dieser kann in weniger als einer Sekunde auf Druck oder Verformung reagieren. Die 3D-gedruckten Wellenleitersensoren mit dem Aktuator zu kombinieren brachte den Forschern Informationen über den Biegezustand des Aktuators und Berührungsereignisse mit Objekten in seiner Umgebung. Sie integrierten eine „Search-and-Wipe“-Routine in den Softroboter, damit er Hindernisse auf seinem Weg entfernen kann. Der Aktuator erfasst Kontaktereignisse innerhalb seines Pfads und lässt bei Erkennung Druck aus allen Kammern in Richtung des Hindernisses ab, um es wegzudrücken.
Fazit der Forscher
Der nachhaltige 3D-Druck-Ansatz der Forscher könnte einen positiven Einfluss auf die Softrobotik haben, da der ökologische Fußabdruck und die Abfallerzeugung reduziert werden. Die Forscher glauben außerdem, dass mehr Nachdruckzyklen möglich sind, indem die Druckfähigkeit der Biogele durch Rehydrierung wiederhergestellt, die Drucktemperatur gesenkt und die Druckgeschwindigkeit erhöht wird. Über weitere Entwicklungen in diesem Bereich berichten wir auch zukünftig im 3D-grenzenlos Magazin (Newsletter abonnieren).
