Bioinspirierte Robotik

Schmetterlingsrüssel inspiriert neuen Roboterantrieb

Die Universität Stuttgart hat gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung einen neuen Ansatz für Roboterantriebe entwickelt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Im Zentrum der Forschungsarbeit stehen ultradünne keramische Schichten, die sich innerhalb weniger Sekunden zu dreidimensionalen Mikrorollen formen lassen.

Gedacht ist die Technologie vor allem für die Mikro- und Softrobotik. Dort müssen Aktuatoren, also jene Bauteile, die Bewegungen oder Greifvorgänge auslösen, besondere Anforderungen erfüllen: Mikroroboter arbeiten auf kleinstem Raum, während Softroboter flexibel und elastisch verformbar bleiben sollen. Neue Materialien könnten hier Lösungen ermöglichen, wo klassische Antriebskonzepte an Grenzen stoßen.

Vom Schmetterlingsrüssel zur Mikrorolle

Als Vorbild diente den Forschenden nicht die biologische Funktion des Saugrüssels, sondern dessen charakteristische Rollbewegung. Schmetterlinge können ihren Rüssel kompakt einrollen und bei Bedarf wieder ausstrecken. Genau dieses Prinzip übertrug das Team auf ultradünne Keramikschichten aus Vanadiumpentoxid, in die magnetische Eisenoxid-Nanopartikel eingebettet wurden.

Bei der Herstellung werden die dünnen Filme vorsichtig mit einer Rasierklinge vom Untergrund gelöst. Durch die kontinuierliche Biegung rollt sich das Material innerhalb weniger Sekunden zu einer eng gewickelten Mikrorolle zusammen. Nähert sich ein Magnet, entfaltet sich die Struktur innerhalb von Millisekunden; wird dieser entfernt, nimmt sie selbstständig wieder ihre ursprüngliche Spiralform an.

Bemerkenswert ist dabei auch die Beschaffenheit der Keramik. Während konventionelle keramische Materialien als spröde gelten, bleiben die verwendeten ultradünnen Schichten flexibel. Möglich macht das laut Universität Stuttgart eine bioinspirierte hierarchische Nano- und Mikrostruktur, die elastische Verformungen zulässt und gleichzeitig die Stabilität des Materials erhält.

30-faches Eigengewicht und 5.000 Zyklen

Die entwickelten Mikrorollen sind nur wenige Mikrometer breit und weisen eingerollt einen Durchmesser von einigen hundert Mikrometern auf. Vollständig ausgerollt können sie dagegen bis zu 25 Millimeter lang werden. Ein kompletter Bewegungszyklus dauert rund 150 Millisekunden.

In Belastungsversuchen funktionierten die Strukturen auch nach 5.000 Zyklen weiterhin. Gleichzeitig können sie Lasten bewegen, die mehr als dem 30-Fachen ihres eigenen Gewichts entsprechen. Mehrere Mikrorollen lassen sich zudem zu programmierbaren Anordnungen kombinieren, sodass unterschiedliche Aktuatoren gleichzeitig und koordiniert arbeiten können.

Damit lassen sich beispielsweise mikroskopisch kleine Objekte anheben, transportieren oder gezielt bearbeiten. Für die Entwicklung künftiger Mikro- und Softroboter ist damit nicht nur die einzelne Rolle interessant, sondern vor allem die Möglichkeit, zahlreiche dieser Elemente zu steuerbaren Systemen zusammenzufassen.

Technologieplattform reicht über Robotik hinaus

Vanadiumpentoxid diente dem Forschungsteam zunächst als Modellmaterial. Der eigentliche Ansatz ist jedoch breiter angelegt: Die entwickelte Plattform soll sich auf unterschiedliche organische und anorganische Dünnschichtmaterialien übertragen lassen und damit weitere programmierbare Mikrosysteme ermöglichen.

Entsprechend sieht die Universität Stuttgart mögliche Anwendungen nicht nur in der Mikro- und Softrobotik. Auch elektronische Komponenten, Sensoren, Energiespeicher und andere multifunktionale Mikrosysteme könnten künftig auf dem Prinzip aufbauen. 

Die magnetischen keramischen Mikrorollen entstanden im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekts. Die Arbeiten sind in der Abteilung Bioinspirierte Materialien des Instituts für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart angesiedelt, wo Prinzipien aus der Natur mit keramischen Nanomaterialien, magnetischer Funktionalität, Mechanik und modernen Fertigungsverfahren verbunden werden.

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