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#Skurrile Fest-zu-flüssig-Robotik

„Skurrile Fest-zu-flüssig-Robotik

Video: Im Bann von Magnetkraft kann sich dieser Roboter verflüssigen, aus seinem Gefängnis fließen und anschließend seine Körperform in einem Förmchen regenerieren. © Wang and Pan et al.

Raffiniertes Spiel mit dem Schmelzpunkt: Forscher haben ein metallisches Material entwickelt, aus dem sich magnetisch steuerbare Roboter bilden lassen, die reversibel zwischen flüssigem und festem Zustand wechseln können. Dies verdeutlichen sie unter anderem, indem sie ein Püppchen aus dem Material auf flüssige Weise aus einem Gefängnis entkommen lassen. Zudem zeigen sie auf, dass ihre sogenannten “Magnetoaktiven Fest-Flüssig-Phasen-Übergangsmaschinen” medizinische und elektrotechnische Aufgaben erledigen könnten.

Die Robotik boomt: Zahlreiche Forscherteams tüfteln derzeit an raffinierten Systemen mit unterschiedlichen Merkmalen und für verschiedene Anwendungsbereiche. Dabei gibt es zwei Grundkonzepte: Neben den Konstruktionen aus harten Materialien, Elektronik und Motoren setzt die Softrobotik auf flexible Strukturen und alternative Steuerungssysteme. Während die herkömmlichen Roboter steif und unflexibel sind, haben die weichen Versionen allerdings das gegenteilige Problem: Sie sind zwar sanft und anpassungsfähig, aber schwach und schwer steuerbar. Eine Kombination wäre somit ideal. Dieser Gedanke bildet die Grundlage der Arbeit eines chinesisch-US-amerikanischen Forscherteams. Ihr Konzept basiert dabei nicht auf Kombinationen zwischen harten und weichen Materialien, sondern auf induzierten Phasenübergängen eines neu entwickelten Materials.

Magnetische Mikropartikel machen es möglich

Bei der Grundsubstanz handelt es sich um das Metall Gallium, das sich durch einen sehr niedrigen Schmelzpunkt auszeichnet: Schon bei 29,8 Grad Celsius geht es vom festen in den flüssigen Aggregatzustand über. Für die Entwicklung ihres Robotik-Materials „Magnetoactive Phase Transitional Matter“ (MPTM) haben die Wissenschaftler in das Gallium Neodym-Eisen-Bor-Mikropartikel eingebettet. “Diese magnetischen Partikel erfüllen dabei zwei Aufgaben”, erklärt Co-Autor Carmel Majid von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. Unter Einfluss von Magnetfeldern lassen sich Gebilde aus dem Material wie von Geisterhand präzise bewegen und so als Roboter für Aufgaben einsetzten. “Die andere Aufgabe der Partikel ist es, das Material für ein magnetisches Wechselfeld empfänglich zu machen, sodass man es durch Induktion aufheizen und einen Phasenwechsel herbeiführen kann”, sagt Majid.

Den Forschern zufolge unterscheidet sich ihre Entwicklung damit von bestehenden Phasenwechselmaterialien, die auf Heizpistolen, elektrische Ströme oder andere externe Wärmequellen angewiesen sind, um eine Umwandlung von fest zu flüssig zu bewirken. Das neue Material zeichnet sich außerdem durch günstige Fließeigenschaften aus, sagen die Wissenschaftler: Andere phasenwechselnde Materialien sind in ihrem geschmolzenen Zustand wesentlich zähflüssiger.

Medizinisches und elektrotechnisches Potenzial

Durch Versuche konnten die Forscher das Potenzial ihres Materials nun bereits eindrucksvoll aufzeigen: Gesteuert von Magnetfeldern ließen sie unterschiedlich geformte MPTM-Gebilde über Wände klettern und Gräben überspringen. Im verflüssigten Zustand können die Tropfen ebenfalls gezielt geleitet werden. Sie lassen sich sogar in zwei Hälften aufteilen, um gemeinsam andere Objekte zu bewegen. Besonders eindrucksvoll verdeutlichen die Wissenschaftler das Potenzial des Konzepts durch eine kleine „Spielerei“: Sie ließen einen Roboter in der Form eines LEGO-Männchens durch ein Gitter sickern. Aus dem Gefängnis befreit, fließt die Masse dann in eine Gussform, aus der das LEGO-Männchen nach dem Erkalten wieder aufersteht und sich im Bann des Magnetfeldes bewegt.

“Das Materialsystem könnte sich aber auch einsetzten lassen, um spezielle medizinische und technische Probleme zu lösen”, sagt Co-Autor Chengfeng Pan von der Chinesischen Universität Hongkong. Um dies zu verdeutlichen, haben die Wissenschaftler ihr Konzept dazu eingesetzt, einen Fremdkörper aus einem Modellmagen zu entfernen. Dabei umfließt ein MPTM-Gebilde das Objekt nach der Verflüssigung und erfasst es dadurch. Anschließend kann die Verbindung dann durch Magnetkraft aus dem Modellmagen befördert werden.

Video: Ein MPTM-Roboter entfernt einen Fremdkörper aus einem Modellmagen. © Wang and Pan et al.

In einem weiteren Experiment verdeutlichen die Forscher zudem das technische Potenzial der elektrisch leitfähigen Substanz. Dabei bewegen zwei MPTM-Gebilde zunächst ein elektronisches Bauteil an eine gewünschte Stelle mit elektrischen Kontakten. Anschließend lassen die Forscher die Roboter schmelzen, sodass sie das Bauteil automatisch in die Elektronik einlöten.

Video: Zwei MPTM-Roboter befördern ein elektronisches Bauteil und löten es ein. © Wang and Pan et al.

“Was wir hier präsentieren, dient der Demonstration im Rahmen eines Proofs of Concept”, sagt Majidi. “Zukünftige Arbeiten sollten nun weiter ausloten, welche Einsatzmöglichkeiten sich für dieses Robotik-System anbieten“, so der Wissenschaftler.

Quelle: Cell Press, Fachartikel: Matter, doi: 10.1016/j.matt.2022.12.003

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