Recycelbare Roboter

Linzer entwickeln abbaubares Biogel zum 3D-Druck

02.02.2022 20:00

Wissenschaftler der Universität Linz haben ein biologisch abbaubares Biogel entwickelt, mit dem sich mittels 3D-Druck weiche und recycelbare Roboter drucken lassen. Die „Tinte“ besteht größtenteils aus Gelatine und Zucker und soll eine umweltfreundliche Alternative zu Kunststoffen und nicht erneuerbaren Materialien bieten, die derzeit im 3D-Druck und in der Soft-Robotics-Forschung eingesetzt werden.

Die Forschungsgruppe um Martin Kaltenbrunner von der Abteilung Physik der Weichen Materie und dem „LIT Soft Materials Lab“ der Universität Linz arbeitet bereits seit Jahren daran, bewegliche Maschinen und Roboter mit weichen Werkstoffen zu bauen. Sie wollen damit die Möglichkeit schaffen, dass Roboter und Mensch eng und sicher miteinander interagieren können und lassen sich dabei von der Natur inspirieren.

Bisher hat den Soft-Robots allerdings eine der Natur inhärente Eigenschaft gefehlt: die biologische Abbaubarkeit. Aus diesem Grund haben die Linzer Forscher bereits Materialien auf Basis von Gelatine, einem Biopolymer, entwickelt, die die Leistung herkömmlicher elastisch verformbarer Kunststoffe erreichen, sich aber nach ihrer Verwendung vollständig abbauen.

Doch trotz ihrer hohen Dehnbarkeit und Elastizität waren die aus solchen Gelen konstruierten „Aktuatoren“ genannte Bauteile, die ein elektrisches Signal in eine Bewegung umwandeln, in ihrer Funktionalität eingeschränkt. Sie konnten nur wenige Bewegungsmuster ausführen, die in der Bauteil-Architektur vorprogrammiert sind.

Vollständig biologisch abbaubare „Tinte“ auf Gelatinebasis
Andreas Heiden aus dem Team Kaltenbrunners ist es nun gelungen, eine vollständig biologisch abbaubare Hydrogel-Tinte auf Gelatinebasis sowie ein maßgeschneidertes 3D-Druckverfahren für deren Verarbeitung zu entwickeln. Damit lassen sich formstabile, sehr bewegliche komplexe Objekte drucken. Zudem können integrierte Sensornetzwerke eingebaut werden, damit solche Aktuatoren mit ihrer Umgebung interagieren können.

„Unser Verfahren ermöglicht die schnelle und kostengünstige Herstellung von Prototypen für elastische, weiche Roboteranwendungen aus Gelen, die sich bis zum Sechsfachen ihrer ursprünglichen Länge dehnen und einfach recyceln bzw. abbauen lassen“, erklärte Kaltenbrunner gegenüber der APA. Das Material kann dabei bis zu fünfmal wiederverwendet werden, um neue Bauteile damit nachzudrucken, ehe es am Ende seiner Lebensdauer gefahrlos entsorgt werden kann.

Diese Wiederverwendung ist möglich, weil das Biogel „thermoreversibel“ ist: Durch Aufheizen direkt im Drucker wird es wieder flüssig und kann erneut gedruckt werden.

Weicher und biegbarer Roboter
Zur Demonstration druckten die Linzer Forscher aus dem Biogel einen weichen, fingerförmigen Roboter-Aktuator. Dieser wurde mit einem Exo-Skelett aus Baumwollfasern ausgestattet und lässt sich mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde mittels Druckluft in alle Richtungen steuern und bis zu 74 Grad biegen.

Zudem druckten sie aus dem Biogel dehnbare Lichtwellenleiter und schufen damit ein optisches Sensor-Netzwerk, das sie mit dem Soft-Robots kombinierten. Damit lassen sich mit hoher Genauigkeit auf den weichen Roboter einwirkende Kräfte erfassen. Nachdem die Forscher eine Such- und Wischroutine implementierten, ist der Roboter-Finger in der Lage, seine Umgebung nach Hindernissen abzusuchen. Erkennt er ein solches, kann er es dann durch eine rasche Bewegung wegschnippen. Mit den gedruckten Lichtwellenleitern realisierten die Wissenschaftler zu Demonstrationszwecken auch einen Videospiel-Controller.