Selbstheilende Materialien mit weicher Wahrnehmung für Roboterhände und -arme

Kostengünstige geleeartige Materialien, die von Forschern der University of Cambridge entwickelt wurden, können Belastung, Temperatur und Feuchtigkeit messen. Und im Gegensatz zu früheren selbstheilenden Robotern können sie sich auch bei Raumtemperatur teilweise selbst reparieren.

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

„Durch die Integration von weichen Sensoren in die Robotik können wir viel mehr Informationen von ihnen erhalten, z. B. wie die Belastung unserer Muskeln es unserem Gehirn ermöglicht, Informationen über den Zustand unseres Körpers zu erhalten“, sagte David Hardman vom Department of Engineering in Cambridge, der Erstautor von das Papier berichtete in der Zeitschrift NPG Asia Materials.

Im Rahmen des EU-finanzierten SHERO-Projekts haben Hardman und seine Kollegen daran gearbeitet, weichfühlende, selbstheilende Materialien für Roboterhände und -arme zu entwickeln. Diese Materialien können erkennen, wenn sie beschädigt sind, die notwendigen Schritte unternehmen, um sich vorübergehend selbst zu heilen, und dann ihre Arbeit wieder aufnehmen – alles ohne die Notwendigkeit menschlicher Interaktion.

„Wir arbeiten seit mehreren Jahren mit selbstheilenden Materialien, aber jetzt suchen wir nach schnelleren und billigeren Wegen, um selbstheilende Roboter herzustellen“, sagte Co-Autor Thomas George-Thuruthel, ebenfalls vom Department of Engineering.

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

„Wir begannen mit einem dehnbaren Material auf Gelatinebasis, das billig, biologisch abbaubar und biokompatibel ist, und führten verschiedene Tests durch, wie Sensoren in das Material integriert werden können, indem viele leitfähige Komponenten hinzugefügt wurden“, sagte Hardman.

Die Forscher fanden heraus, dass das Drucken von Sensoren, die Natriumchlorid – Salz – anstelle von Kohletinte enthielten, zu einem Material mit den gesuchten Eigenschaften führte. Da Salz im wassergefüllten Hydrogel löslich ist, bietet es einen einheitlichen Kanal für die Ionenleitung – die Bewegung von Ionen.

Bei der Messung des elektrischen Widerstands der bedruckten Materialien stellten die Forscher fest, dass Dehnungsänderungen zu einer sehr linearen Reaktion führten, mit der sie die Verformungen des Materials berechnen konnten. Das Hinzufügen von Salz ermöglichte auch die Erfassung von Dehnungen von mehr als dem Dreifachen der ursprünglichen Länge des Sensors, sodass das Material in flexible und dehnbare Robotergeräte integriert werden kann.

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

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

Die selbstheilenden Hydrogele verbinden sich gut mit einer Reihe unterschiedlicher Materialien, was bedeutet, dass sie leicht in andere Arten von Robotern integriert werden können. Beispielsweise konzentriert sich ein Großteil der Forschung im Bio-Inspired Robotics Laboratory, in dem die Forscher ihren Sitz haben, auf die Entwicklung künstlicher Hände. Obwohl dieses Material ein Proof-of-Concept ist, könnte es bei weiterer Entwicklung in künstliche Haut und maßgeschneiderte tragbare und biologisch abbaubare Sensoren integriert werden.