3D-gedruckter Open-Source-Roboter bietet eine zugängliche Lösung für die Materialsynthese

Praktische, kosteneffektive Lösung zur Beschleunigung von Innovationen in der Materialwissenschaft

14.04.2025

FLUID, ein 3D-gedruckter Open-Source-Roboter, bietet eine erschwingliche und anpassbare Lösung für die automatisierte Materialsynthese und macht fortschrittliche Forschung für mehr Wissenschaftler zugänglich. Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Keisuke Takahashi an der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Hokkaido hat FLUID (Flowing Liquid Utilizing Interactive Device) entwickelt, ein Open-Source-Robotersystem, das mit einem 3D-Drucker und handelsüblichen elektronischen Bauteilen konstruiert wurde.

Um die Fähigkeiten von FLUID zu demonstrieren, nutzte das Team den Roboter, um die Ko-Präzipitation von Kobalt und Nickel zu automatisieren und so binäre Materialien mit Präzision und Effizienz zu erzeugen. "Durch die Übernahme von Open Source, die Verwendung eines 3D-Druckers und die Nutzung von allgemein erhältlicher Elektronik wurde es möglich, einen funktionalen Roboter zu konstruieren, der zu einem Bruchteil der Kosten, die normalerweise mit kommerziell erhältlichen Robotern verbunden sind, an bestimmte Bedürfnisse angepasst ist", sagte Mikael Kuwahara, der Hauptautor der Studie.

Die FLUID-Hardware besteht aus vier unabhängigen Modulen, die jeweils mit einer Spritze, zwei Ventilen, einem Servomotor für die Ventilsteuerung und einem Schrittmotor für die präzise Steuerung des Spritzenkolbens ausgestattet sind. Jedes Modul verfügt außerdem über einen End-Stopp-Sensor, um die maximale Füllposition der Spritze zu erkennen. Diese Module sind mit Mikrocontroller-Platinen verbunden, die über USB Befehle von einem Computer empfangen. Das System umfasst auch eine Software, mit der die Benutzer die Funktionen des Roboters steuern können, z. B. die Ventileinstellungen und die Spritzenbewegungen, und die Statusaktualisierungen und Sensordaten in Echtzeit liefert.

Die Forscher haben die Konstruktionsdateien offen zugänglich gemacht, so dass Forscher auf der ganzen Welt den Roboter nachbauen oder entsprechend ihren spezifischen experimentellen Anforderungen verändern können. Durch die Bereitstellung einer quelloffenen und 3D-druckbaren Alternative zu teuren kommerziellen Robotern könnte FLUID einer breiteren Gemeinschaft von Forschern die Möglichkeit geben, automatisierte Experimente in der Materialwissenschaft durchzuführen.

Dies könnte besonders für Forscher in ressourcenbeschränkten Umgebungen oder für Wissenschaftler von Vorteil sein, die sich auf Nischenbereiche konzentrieren, in denen kommerzielle Lösungen nicht ohne weiteres verfügbar oder kosteneffektiv sind. Mit einem anpassbaren Design, das unter Verwendung kommerzieller Komponenten gedruckt werden kann, können sie anspruchsvolle Experimente ohne große Kapitalinvestitionen durchführen.

"Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Automatisierung in der Materialsynthese zu demokratisieren und den Forschern eine praktische, kosteneffiziente Lösung zu bieten, um Innovationen in der Materialwissenschaft zu beschleunigen", erklärte Takahashi.

Für die Zukunft planen die Forscher die Integration zusätzlicher Sensoren zur Überwachung anderer Parameter, wie Temperatur und pH-Wert. Diese werden die Fähigkeit des Roboters erweitern, eine breitere Palette chemischer Reaktionen zu handhaben, einschließlich Polymermischung und organischer Synthese. Auch die Software wird weiterentwickelt, um Funktionen wie die Makroaufzeichnung zur Rationalisierung sich wiederholender Aufgaben und eine verbesserte Datenprotokollierung zur Verbesserung der experimentellen Reproduzierbarkeit und Datenanalyse einzubauen.

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Originalveröffentlichung

Mikael Kuwahara, Yoshiki Hasukawa, Fernando Garcia-Escobar, Satoshi Maeda, Lauren Takahashi, Keisuke Takahashi; "Development of an Open-Source 3D-Printed Material Synthesis Robot FLUID: Hardware and Software Blueprints for Accessible Automation in Materials Science"; ACS Applied Engineering Materials, 2025-4-8

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