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Elastische Kunststoffe mit kleinen Kanälen, gefüllt mit Flüssigmetall © APA (JKU/M.DRACK/G.MAO)
Elastische Kunststoffe mit kleinen Kanälen, gefüllt mit Flüssigmetall © APA (JKU/M.DRACK/G.MAO)

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Linzer Forscher stellen Ansatz für weichen Elektromotor vor

26.06.2020

Einen neuen Ansatz für elektromagnetische Motoren, die nicht wie bisher aus harten Materialien, sondern aus weichen Bauteilen gefertigt sind, stellen Linzer Forscher im Fachjournal "Science Advances" vor. Anstatt Kupferdraht und Eisen bilden hier ein elastischer Werkstoff und Flüssigmetall die Grundzutaten des Aktuators, den die Wissenschafter in robotischen Anwendungen demonstrierten.

Denkt man an Roboter oder Maschinen insgesamt, dann dominiert ganz klar das Bild eines aus hartem Material gefertigten Systems. Die Forschungsgruppe um Martin Kaltenbrunner von der Abteilung Physik der Weichen Materie und dem "LIT Soft Materials Lab" der Universität Linz hat es sich zum Ziel gesetzt, solche Maschinen auf Basis weicher Werkstoffe zu entwickeln. Erst kürzlich stellten die Linzer Forscher im Fachblatt "Nature Materials" ein neuartiges Biogel vor, das dehn- und biegbar sowie ausreichend stabil ist, um mit elektronischen Bauteilen zu einer Art weicher Roboter kombiniert zu werden. Der Grundgedanke dahinter ist immer, die Voraussetzungen zu schaffen, damit Roboter und Mensch künftig enger miteinander interagieren können, ohne dass die starre Maschine dem Menschen körperlich schadet.

Aktuator wandelt elektrisches Signal in Bewegung um

Nun präsentiert das Team um den Erstautor der nunmehrigen Studie, Guoyong Mao, einen Ansatz zur Umsetzung von neuartigen sogenannten Aktuatoren - also Bauteilen, die ein elektrisches Signal in eine Bewegung umwandeln. In diesem Fall sind dies elastische Kunststoffe mit kleinen Kanälen, in die die Wissenschafter Flüssigmetall füllen. Werden diese dann in einem magnetischen Feld von elektrischem Strom durchflossen, führen die Teile eine Bewegung aus.

"Flüssiges Metall hat zwei Eigenschaften, die wir brauchen: Zum einen leitet es Strom sehr gut. Zum anderen ist es in Kanälen aus elastischem Material dehnbar und - wie Wasser - weich und formveränderlich. Das ist die ideale Kombination für einen weichen Motor", sagte Kaltenbrunner im Gespräch mit der APA. Bisher leiden ähnliche weichen Aktoren noch unter relativ langen Reaktionszeit, geringer Leistung oder brauchen Hochspannung, um die gewünschten Bewegungen anzustoßen.

Der Linzer Ansatz kommt hingegen mit einer Spannung von einem Volt aus, führt die Bewegung in Sekundenbruchteilen aus und funktioniert auch im Wasser. Das demonstrieren die Wissenschafter etwa anhand eines weichen Roboterhais, mit dessen Flossen sich ein Farbstoff im Wasser sehr schnell verteilen lässt. Außerdem zeigt das Team mit einer Art Robo-Blume, dass sich ihre aus fünf einzeln steuerbaren Blütenblättern bestehende Knospe in wenigen Millisekunden öffnen und schließen kann. Derart konstruierte Aktuatoren können sich rund zwei Millionen Mal biegen, ohne sich dabei abzunutzen, so die Wissenschafter.

Fernsteuerung über MRT

"Der Vorteil ist, dass das elektromagnetische Feld auch weiter vom Akuator entfernt sein kann", so Kaltenbrunner. Eine Idee ist dementsprechend, solche Mini-Maschinen etwa in den Körper eines Patienten zu bringen und ihre Aktuatoren dann mit dem Magnetfeld eines Magnetresonanztomografen (MRT) fernzusteuern. So könnten sie dort eine bestimmte Aufgabe erfüllen, wie etwa ein Blutgerinnsel beseitigen. Derartige implantierbare Mikroroboter, die über elektromagnetische Felder gesteuert werden, seien "zur Zeit ein großes Thema in der Medizintechnik", sagte der Forscher.

Das Linzer Team arbeitet nun an der Verkleinerung der Bauteile und dem Zusammenführen von noch mehr einzelnen Aktuatoren, die gemeinschaftlich komplexe Mini-Roboter bilden. Diese könnten dann einmal etwa Aufgaben im Bereich der gezielten Verabreichung von Medikamenten, bei Gewebediagnosen oder der Manipulation von Zellen erfüllen.

Service: https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abc0251)

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