Die Entwicklung eines beweglichen Konstrukts, das seine Form leicht verändern und sich frei in Wasser bewegen kann, ist eine anspruchsvolle Aufgabe in der Robotik. Die meisten der bekannten weichen Materialien lassen sich aufgrund der Dissipation und der Widerstandskraft im Wasser nur schwer kontrolliert verformen und effizient betätigen.
Ein Team der Abteilung für Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart und der Universität Tampere in Finnland fand nun ein Material, das diesen Ansprüchen gerecht wird: lichtempfindliche Flüssigkristallgele (LCGs). Die Forscher ließen sich bei ihrer Suche von der Natur inspirieren. „Die Tiere, die sich sehr gut in Flüssigkeit fortbewegen können, sind die, die einen sehr weichen und gelartigen Körper haben“, erklärt Hamed Shahsavan, ein Post-Doktorand in der Abteilung für Physische Intelligenz.
Roboter wird mit Licht gesteuert
Mit LCGs als Baumaterial sind mehrere Vorteilen verbunden. Erstens reagieren sie auf Licht – und können so kabellos und ohne starre oder sperrige Antriebs-, Sensor- und Betätigungskomponenten gesteuert werden. „Selbst mit wenig Energie oder geringer Temperatur können wir eine große Formveränderung bewirken und verschiedene Fortbewegungsarten ausführen“, sagt Shahsavan.
Der zweite Vorteil besteht darin, dass durch die Anordnung der Gelmoleküle in einem bestimmten Muster die Gesamtkonstruktion von nur wenigen Millimetern reversibel ihre Form verändern kann, wenn Licht bestimmte Teile des Roboters beleuchtet: er kann dadurch kriechen, laufen, springen und schwimmen. Die Konstruktion ist sehr schnell und hat einen geringen Energiebedarf – sie benötigt 20- bis 30-mal weniger Energie, um die gleiche Formänderung im Vergleich zu Nicht-Gel-Konstruktionen durchzuführen. Gleichzeitig können die Forscher die Formveränderung aufgrund der molekularen Ausrichtung vorprogrammieren.
Roboter könnte zentrale Rolle in Medizin spielen
„Wir glauben, dass Roboter, die in Flüssigkeit schwimmen können, gemacht aus weichen Materialien mit Formveränderungsfähigkeiten, eine zentrale Rolle spielen werden in zukünftigen medizinischen Anwendungen und in der Biotechnik“, sagt Metin Sitti, der Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz. Shahsavan ergänzt: „In Zukunft versuchen wir, dieses Material mit anderen Energiequellen als Licht zu betätigen, da Licht von außen nicht durch den menschlichen Körper eindringen kann. Wir hoffen, dass wir eines Tages in der Lage sein werden, unsere weiche Konstruktion so klein zu machen, dass wir sie mit Nahinfrarotlicht, akustischen Wellen, elektrischen oder magnetischen Feldern durch den Körper bewegen und steuern können.“
Kontakt:
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Heisenbergstr. 3
70569 Stuttgart
Tel.: +49 (0)711 689–3552
Website: www.is.mpg.de
www.pnas.org/content/early/2020/02/18/1917952117
