Ein Team von Wissenschaftler des Virginia Polytechnic Institute and State University (kurz: Virgina Tech) haben einen Soft-Roboter entwickelt, der sich von einem Fahrzeug in eine Drohne wandeln kann. Die Forscher setzen dabei auf eine Formänderung auf Materialebene, verzichten also auf Motoren und eine entsprechende Mechanik. Roboter aus geometrischen Körpern bauen. Stattdessen benutzen sie eine Kombination aus Elastomer, Metall und Temperatur, um eine Formwandlung zu erzielen. In ihrem im Fachmagazin Science Robotics veröffentlichen Paper "Shape morphing mechanical metamaterials through reversible plasticity" beschreibt das Team rund um den Maschinenbau-Professor Michael Bartlett seine Forschungsarbeit anhand einer multifunktionalen autonom formwandelnden Drohne. Ziel des Projektes war es, ein Material zu entwickeln, dass die Form verändern, diese Form beibehalten und wieder in die Ausgangsform zurückkehren kann, erklärt Bartlett. Dabei sollte das Material aber auch so geschaffen sein, dass eine Formwandlung über viele Zyklen hinweg möglich ist, ohne dass das Material ermüdet.
Das Team sieht durch den Einsatz von Verbundstoffen eine große Chance für die Soft-Robotik. Damit ließen sich Maschinen schaffen, die mehrere Funktionen ausführen und sich nach einer Beschädigung selbst heilen können. ( olb)
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"Eine der Herausforderungen bestand darin, ein Material zu entwickeln, das weich genug ist, um seine Form dramatisch zu verändern, und gleichzeitig steif genug, um anpassungsfähige Maschinen zu schaffen, die verschiedene Funktionen ausführen können", umschreibt Bartlett das Ausgangsproblem der Wissenschaftler. Kirigami-Endoskelett aus LMPA Um dies zu realisieren, entwickelte das Wissenschaftsteam zunächst eine Struktur auf Basis der japanischen Papierfalt- und Schneidekunst Kirigami, um die Festigkeit einer aus regelmäßigen geometrischen Muster bestehenden Struktur zu testen, die aus Kautschuk und Verbundstoffen besteht. Darauf aufbauend entwickelten sie ein Endoskelett aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt, Low Melting Point Alloy (LMPA), das die Forscher in eine Gummihaut integrierten. Roboter aus geometrischen formen mit. Dadurch gelang es ihnen, mehrere grundlegende Probleme bei mehrfacher Materialverformung von Metall zu umgehen: Wird Metall zu stark gebogen wird, bleibt es herkömmlicherweise dauerhaft verbogen, reißt oder ist in eine Form gebracht, die unbrauchbar ist.
Durch die Kombination einer speziellen Legierung und der Einbettung in ein Elastomer konnten die Forscher dies verhindern. Sie erhielten so ein Material, das sich verformen lässt und gleichzeitig stabil genug ist, um gewissen Belastungen standzuhalten. Um die Verformung zu erreichen und das Material wieder in seine ursprüngliche Form zurückbringen zu können, ergänzte das Forscherteam das Endoskelett um ein Netzwerk aus flexiblen Heizelementen, die sich rankenartig um die LMPA-Struktur legen. Bei einer Temperatur von 60 Grad Celsius schmilzt das Metall, wird aber durch das umgebene Elastomer an seinem Platz gehalten und nach der Verformung durch reversible Plastizität wieder in seine ursprüngliche Form gebracht. Das klappt deshalb, weil die durch Kirigami inspirierten Einschnitte im Exoskelett es ermöglichen, es schnell in die gewünschte Form zu bringen und wieder in die Ausgangsform zu transformieren. Zerlegte Figuren – homeschooling4kids. Ist das Metall abgekühlt, ist die ursprüngliche Festigkeit wieder gegeben. Das Video zeigt, wie ein Soft-Roboter verschiedene stabile Formen annimmt, um sich unterschiedlich fortzubewegen.
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