22.02.2022 - University of Cambridge

Selbstheilende Materialien für die Robotik aus "Gelee" und Salz

Materialien können erkennen, wenn sie beschädigt sind, und die notwendigen Schritte unternehmen, um sich vorübergehend selbst zu heilen

Forscher haben selbstheilende, biologisch abbaubare, in 3D gedruckte Materialien entwickelt, die für die Entwicklung realistischer künstlicher Hände und anderer weicher Roboteranwendungen verwendet werden könnten.

Die kostengünstigen geleeartigen Materialien, die von Forschern der Universität Cambridge entwickelt wurden, können Dehnung, Temperatur und Feuchtigkeit erkennen. Und im Gegensatz zu früheren selbstheilenden Robotern können sie sich auch bei Raumtemperatur teilweise selbst reparieren.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift NPG Asia Materials veröffentlicht.

Soft-Sensing-Technologien könnten unter anderem die Robotik, taktile Schnittstellen und tragbare Geräte verändern. Die meisten Soft-Sensing-Technologien sind jedoch nicht langlebig und verbrauchen viel Energie.

"Wenn wir weiche Sensoren in die Robotik einbeziehen, können wir viel mehr Informationen aus ihnen gewinnen, so wie unser Gehirn durch die Belastung unserer Muskeln Informationen über den Zustand unseres Körpers erhält", sagte David Hardman vom Cambridge Department of Engineering, der Erstautor der Studie.

Im Rahmen des von der EU finanzierten SHERO-Projekts haben Hardman und seine Kollegen an der Entwicklung weicher, selbstheilender Materialien für Roboterhände und -arme gearbeitet. Diese Materialien können erkennen, wenn sie beschädigt sind, die notwendigen Schritte unternehmen, um sich vorübergehend selbst zu heilen und dann ihre Arbeit wieder aufzunehmen - und das alles ohne menschliches Zutun.

"Wir arbeiten schon seit einigen Jahren mit selbstheilenden Materialien, aber jetzt suchen wir nach schnelleren und billigeren Wegen, um selbstheilende Roboter zu bauen", sagt Mitautor Dr. Thomas George-Thuruthel, ebenfalls von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften.

Frühere Versionen der selbstheilenden Roboter mussten erhitzt werden, um zu heilen, aber die Forscher in Cambridge entwickeln jetzt Materialien, die bei Raumtemperatur heilen können, was sie für reale Anwendungen nützlicher machen würde.

"Wir begannen mit einem dehnbaren, gelatinebasierten Material, das billig, biologisch abbaubar und biokompatibel ist, und führten verschiedene Tests durch, um Sensoren in das Material einzubauen, indem wir viele leitende Komponenten hinzufügten", so Hardman.

Die Forscher fanden heraus, dass das Drucken von Sensoren mit Natriumchlorid - Salz - anstelle von Kohlenstofftinte zu einem Material mit den gewünschten Eigenschaften führte. Da das Salz in dem mit Wasser gefüllten Hydrogel löslich ist, bietet es einen einheitlichen Kanal für die Ionenleitung - die Bewegung von Ionen.

Bei der Messung des elektrischen Widerstands der gedruckten Materialien stellten die Forscher fest, dass Änderungen der Dehnung zu einer sehr linearen Reaktion führten, die sie zur Berechnung der Verformungen des Materials nutzen konnten. Die Zugabe von Salz ermöglichte auch die Messung von Dehnungen, die mehr als das Dreifache der ursprünglichen Sensorlänge betrugen, so dass das Material in flexible und dehnbare Robotergeräte eingebaut werden kann.

Die selbstheilenden Materialien sind billig und einfach herzustellen, entweder durch 3D-Druck oder Gießen. Sie sind vielen bestehenden Alternativen vorzuziehen, da sie eine langfristige Festigkeit und Stabilität aufweisen, ohne auszutrocknen, und vollständig aus allgemein verfügbaren, lebensmittelechten Materialien hergestellt werden.

"Es ist ein wirklich guter Sensor, wenn man bedenkt, wie billig und einfach er herzustellen ist", sagt George-Thuruthel. "Wir könnten einen ganzen Roboter aus Gelatine bauen und die Sensoren dort ausdrucken, wo wir sie brauchen.

Die selbstheilenden Hydrogele verbinden sich gut mit einer Reihe verschiedener Materialien, so dass sie leicht in andere Arten von Robotern integriert werden können. Ein Großteil der Forschung im Bio-Inspired Robotics Laboratory, in dem die Forscher tätig sind, konzentriert sich beispielsweise auf die Entwicklung künstlicher Hände. Obwohl es sich bei diesem Material um ein Proof-of-Concept handelt, könnte es, wenn es weiterentwickelt wird, in künstliche Häute und maßgeschneiderte, tragbare und biologisch abbaubare Sensoren integriert werden.

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