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Science

Roboter aus Zucker schont Umwelt und Mensch

Ein Roboter fährt durch das weite rote Erdbeerfeld und pflückt die süßen Früchte mit seinem Greifarm. Anders als bei gängigen Ernterobotern besteht dieser nicht aus Metall, sondern aus den umweltfreundlichen Ausgangsmaterialien Gelatine und Zucker. Die machen den Greifarm so weich, dass die abgepflückten reifen Beeren im Zuge der einwirkenden Kräfte vollkommen unversehrt bleiben. 

Das Besondere an diesem Roboter ist aber, dass er sich nach millionenfacher Anwendung am Ende seiner Lebenszeit theoretisch einfach im Feld und mithilfe von Regen, Enzymen und Bakterien komplett und natürlich zersetzen kann, ohne bedenkliche Rückstände zu hinterlassen. Für die nächste Ernte kann er durch einen Nachfolger aus dem gleichen kostengünstigen Material einfach ersetzt werden. 

Aus dem 3D-Drucker

Das ist nur einer von vielen möglichen Anwendungszwecken eines Softroboters aus diesem neuartigen Material, das unlängst von einer Forschungsgruppe an der Abteilung Physik der Weichen Materie und dem „LIT Soft Materials Lab“ der  Universität Linz entwickelt wurde. Neben der Widerstandsfähigkeit und Lebensdauer war insbesondere der Nachhaltigkeitsaspekt bei der Entwicklung des Materials vorrangig, wie der Physiker Martin Kaltenbrunner gegenüber der futurezone betont.

Denn in der Industrie bestehen Roboter meist aus Stahl oder Keramik. Oft landen Teile in der Umgebung oder im Meer und werden Jahrhunderte lang nicht abgebaut. 

Der gummiartige Roboter der Uni Linz kommt aus dem 3D-Drucker – die „Tinte“ besteht großteils aus Zucker und dem Biopolymer und Abfallprodukt aus der Lebensmittelindustrie, Gelatine. Das Material wird laut dem Forscher Kaltenbrunner durch entsprechende Zucker so modifiziert, dass die elastischen Eigenschaften beinahe so gut sind wie jene von synthetischen Polymeren wie Silikone. Generell lassen sich Roboter, die aus diesem Biogel hergestellt werden, um das Sechsfache ihrer ursprünglichen Länge dehnen. 

Fingerförmiger Roboter

Gedruckt werden können unterschiedliche formstabile und komplexe Objekte. Der zu Demonstrationszwecken hergestellte Roboter ist fingerförmig und wurde mit einem Exo-Skelett aus Baumwollfasern ausgestattet. Per Druckluft kann er zahlreiche Bewegungsmuster ausführen und ist bis zu 74 Grad biegsam. 

Der Roboterfinger kann auch mit einem Sensornetzwerk ausgestattet werden, um „fühlen“ zu können. Dadurch könnten sogenannte „Greifer“, also Roboter mit einem Greifarm, funktioneller werden und besser auf ihre Umgebung reagieren. Das Forscherteam hat mithilfe von ebenfalls ausgedruckten Lichtwellenleitern ein optisches Sensornetzwerk erzeugt, wodurch sich einwirkende Kräfte auf den Roboter präzise erfassen lassen.

Die Wellenleiter dienen dabei als Berührungssensoren. Damit kann der Roboter auf Druck durch andere Objekte reagieren und nach einer entsprechenden Modifizierung  seine Umgebung nach Hindernissen abtasten und diese gegebenenfalls  beiseiteschieben. 

Sichere Interaktion mit Menschen

In der Praxis könnten weiche Roboter aus dem Biogel laut Kaltenbrunner generell überall dort zur Anwendung kommen, wo Greifer häufig ausgetauscht werden müssen. Etwa in der Lebensmittelindustrie. „Wichtig ist, dass sie nicht giftig sind“, so der Forscher. Denn häufig würden Lebensmittel aufgrund technischer Probleme in der Fertigung zurückgerufen, beispielsweise wegen Metallabrieb. Käme indes ein essbarer Zucker-Gelatine-Roboter zum Einsatz, wären verlorene Teile  in den Lebensmitteln unbedenklich. 

Auch in der Spielzeugindustrie biete das Biogel große Vorteile. „Würde ein dreijähriges Kind vom Roboter abbeißen, wäre auch dies kein Problem“, so Kaltenbrunner. In der Industrie würde das Material außerdem das Unfallrisiko im Zuge der Interaktion und Kooperation von Menschen und Maschinen senken, sollten sie sich etwa gegenseitig im Weg stehen.

Nanoroboter in Blutbahn

Spannend wäre der Einsatz des Produkts in weiterer Zukunft auch in der Medizin. Wird es weiter miniaturisiert, könnte es in Form von vielversprechenden Nanorobotern etwa durch die menschliche Blutbahn fließen und Wirkstoffe zielgenau dort absetzen, wo sie benötigt werden. Dadurch können Nebenwirkungen durch das Medikament, das sich sonst im ganzen Körper entfalten würde, gering gehalten werden. Bleibt der Roboter in der Blutbahn stecken, könnten sich die Proteine  auch hier von selbst auflösen. 

In einer trockenen Umgebung bleibt das weiche Produkt dem Physiker zufolge hingegen für mindestens ein Jahr stabil. Geht er in diesem Zeitraum einmal kaputt, kann das Material bis zu fünf Mal wiederverwendet werden. Das ist möglich, weil das Biogel „thermoreversibel“ ist: Es wird im Drucker aufgeheizt und wieder verflüssigt und kann so erneut gedruckt werden. Hat das Biogel das Ende seiner Lebenszeit erreicht, kann es schließlich bedenkenlos entsorgt werden.

Die Forschungsgruppe will nun in einem nächsten Schritt weitere abbaubare Materialien drucken – auch härtere. „Die sollen noch funktioneller werden und dennoch biologisch unbedenklich bleiben“, so Kaltenbrunner.   

Salzroboter heilt sich selbst

Mediziner*innen könnten weiche Robotersensoren künftig dafür nutzen, um mehr wesentliche Patienteninformationen zu gewinnen. Etwa, wie unser Gehirn durch die Belastung unserer Muskeln Informationen über den Zustand unseres Körpers erhält. Diesem Ziel sind nun Forscher*innen der Cambridge University nähergekommen. Im Rahmen des EU-finanzierten SHERO-Projekts haben sie ein Robotermaterial entwickelt, das unter anderem für robotische Hände und Arme zum Einsatz kommen könnte, die sich bei einer Beschädigung selbst heilen können.

Es handelt sich um ein Gemisch auf Gelatinebasis, aus dem per 3D-Drucker das jeweilige robotische Element oder ein ganzer Roboter hergestellt werden kann. 

Salz für Ionenleitung

Das neuartige und biologisch abbaubare Material kann über hinzugefügtes Salz, das als „Tinte“ zum Drucken von weichen Sensoren zum Einsatz kommt und für die Ionenleitung wesentlich ist, außerdem Belastung, Temperatur und Feuchtigkeit erfassen. Während derartige Soft-Materialien normalerweise erst erhitzt werden müssen, um wieder hergestellt zu werden, kann sich ein Roboter aus diesem Gemisch bei Raumtemperatur – zumindest temporär – selbst heilen. 

So kann der Roboter  seine Arbeit fortsetzen, ohne das ein Mensch interagieren muss. Das Material soll langfristig haltbar und stabil sein, ohne auszutrocknen. Laut den Forscher*innen könne man daraus einen ganzen Roboter drucken oder gießen und die Sensoren dort ausdrucken, wo sie benötigt werden. 

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Andreea Iosa

Andreea Iosa beschäftigt sich mit neuesten Technologien und Entwicklungen in der Forschung – insbesondere aus Österreich – behandelt aber auch Themen rund um Raumfahrt sowie Klimawandel.

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