Roboter aus dem Drucker

Die phantastische Zukunft der Minimaschinen

Von Manfred Lindinger
27.06.2022
, 17:01
Mini-Roboter mit Lastenkorb
Der 3D-Druck eröffnet auch der Robotik neue Möglichkeiten und Perspektiven. Forscher haben sehr bewegliche und multifunktionale Mini-Roboter entwickelt – mit vielen Einsatzmöglichkeiten.
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Der 3-D-Druck, die additive Fertigung komplexer Objekte in einem Guss, hat auch den Roboterbau beflügelt. Anstatt wie üblich die Maschinen nacheinander mit Gliedmaßen, mechanischen und elek­tronischen Komponenten auszustatten, können Roboter mit allen ihren Funktionalitäten in einem Schritt gefertigt werden. Es lassen sich dabei die unterschiedlichsten Formen und Strukturen verwirklichen, die man mit den üblichen Fertigungsverfahren nicht herstellen kann. Weil man mittlerweile fast alle Materialien – von Kunststoffen und Metallen bis hin zu Glas und Keramik – verarbeiten kann, lassen sich die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften der Werkstücke bereits während des Druckens maßschneidern. Diese Möglichkeiten haben Forscher von der University of California in Los Angeles nun auch für den Bau autonomer Miniaturroboter ausgeschöpft.

Wie Xiaoyu Zheng und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“ berichten, können sich ihre gedruckten Roboter nicht nur geradlinig auf jeder Oberfläche fortbewegen. Sie sind auch in der Lage, zu hüpfen und sich im Raum zu drehen. Ausgestattet mit einer Art Korb, können die Roboter sogar kleinere Lasten huckepack transportieren. Zum Antrieb der fingernagelgroßen Roboter nutzen die Forscher um Zheng den piezoelektrischen Effekt: Piezoelektrische Materialien haben die Eigenschaft, dass sie sich dehnen, zusammenziehen oder anderweitig verformen, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird.

Diese gedruckte Gerüststruktur aus einem piezoelektrischen Material  bildet die Ausgangsbasis für die Mini-Roboter aus Los Angeles.
Diese gedruckte Gerüststruktur aus einem piezoelektrischen Material bildet die Ausgangsbasis für die Mini-Roboter aus Los Angeles. Bild: UCLA

Zum Drucken eines Roboters verwenden Zheng und seine Kollegen ein lichtempfindliches Kunstharz, dem sie piezoelektrische Partikel einer Blei-Zirkon-Titan-Sauerstoff-Verbindung beigemischt haben. Beim Drucken selbst wird das flüssige Harz in einer Wanne von unten mit ultravioletten Lichtpulsen bestrahlt. Wo genau das Licht auf das Material auftreffen soll, bestimmt ein Computerprogramm. Dort werden chemische Reaktionen ausgelöst, die zum Aushärten des Kunstharzes führen. Eine Plattform zieht die belichteten Teile Schicht für Schicht aus der Wanne heraus. Am Ende des Druckvorgangs wird das noch flüssige Harz entfernt. Das Ergebnis ist eine würfelförmige, dreidimensionale filigrane Fachwerkstruktur.

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Um daraus einen funktionierenden Roboter zu bekommen, scheiden die Forscher an ausgewählten Stellen metallische Elektroden ab. Hitze und ein starkes äußeres elektrisches Feld bewirken, dass sich die piezoelektrischen Blei-Titanat-Partikeln entlang der Feldlinien ausrichten. Das Material kann sich nun verformen. Die Bereiche ohne Elektroden werden nicht polarisiert. Sie dienen als Stützelemente.

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Grenze zwischen intelligenten Materialien und Maschinen verschwimmt

Werden die Elektroden mit einer Batterie verbunden, entfaltet sich der Roboter und nimmt seine endgültige Gestalt an, die dem Großbuchstaben „N“ ähnelt. Beim Laufen übernehmen die senkrechten Stege die Funktion von Vorder- und Hinterbeinen. Sie haben abwechselnd Kontakt zum Boden und schieben den Roboter auf diese Weise nach vorne – mit einer maximalen Geschwindigkeit von etwas mehr als einem Zentimeter pro Sekunde. Das Tempo können die Forscher über die Frequenz von Spannungspulsen steuern, die ein Mikroprozessor generiert, den der Roboter beispielsweise zusammen mit seiner Batterie mitführt.

Detailansicht eines Mini-Roboters der Rayne Research Group aus Los Angeles
Detailansicht eines Mini-Roboters der Rayne Research Group aus Los Angeles Bild: Rayne Research Group/UCLA

Werden etwa nur die Hinterbeine aktiviert, bewegt sich der Roboter hüpfend vorwärts, werden andere Partien angeregt, dreht er sich im Kreis. Ein Exemplar, das Zheng und seine Kollegen mit einem Ultraschallsensor ausgestattet hatten, war in der Lage, Hindernisse in seiner Umgebung zu registrieren und diesen auszuweichen. Auf diese Weise konnte dieser Roboter sich autonom durch ein Labyrinth steuern, ohne mit den Seitenwänden zu kollidieren.

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Was auf den ersten Blick wie eine Spielerei anmuten mag, hat für Ahmad Rafsanjani vom dänischen Zentrum für Soft-Robotik in Odense einen ernsten Hintergrund. Die Studie demonstriere, dass die Grenze zwischen intelligenten Materialien und Maschinen immer mehr verschwimmt, schreibt der Forscher in einem Begleitkommentar in „Science“. Er regt an, das Verfahren von Zheng und Kollegen zu nutzen, um Softroboter mit weichen elektroaktiven Polymeren zu entwickeln. Weiche Roboter, die keine starren Bauteile haben, können sich geschmeidiger fortbewegen und bringen weniger Gewicht auf die Waage.

In-Vivo-Robot auf Testfahrt

Millimeter großer Robot von der Stanford University
Millimeter großer Robot von der Stanford University Bild: Zhao Lab, Stanford University

Die Forscher um Zheng selbst können sich vorstellen, dass ein Schwarm ihrer Roboter Kundschafteraufgaben übernehmen könnte, etwa indem sie in einem eingestürzten Gebäude nach verschütteten Opfern suchen. Auch wären gedruckte Roboter für biomedizinische Aufgaben denkbar, etwa als selbststeuernde Endoskope oder winzige schwimmende Roboter, die im Körper selbständig navigieren können, um Wirkstoffe gezielt abzugeben.

Dass aus solchen phantastisch anmutenden Vorstellungen bald Wirklichkeit werden könnte, haben Forscher von der Stanford University gezeigt. Wie Renee Zhao und ihre Kollegen in „Nature Communications“ schreiben, haben sie einen fünf Millimeter großen Roboter entwickelt, der sich sowohl in trockenen als auch in flüssigen Milieus fortbewegen kann – rollend oder schwimmend. Der Roboter lässt sich drahtlos von einem Magneten ansteuern und in jede gewünschte Richtung navigieren. Der fünf Millimeter große Bot ist zudem in der Lage, auf einen magnetischen Impuls hin eine gewisse Flüssigkeitsmenge – etwa einen Wirkstoff – abzugeben. Getestet haben die Forscher ihr Vehikel bereits im Magen-Darm-Trakt eines toten Schweins.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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