Cambridge-Forscher entwickeln kostengünstige, selbstheilende Sensoren für fortschrittliche Robotik

Kostengünstige, gelartige Materialien, die von Forschern der Universität Cambridge entwickelt wurden, können Dehnung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit erfassen. Und im Gegensatz zu früheren selbstheilenden Robotern können sie sich bei Raumtemperatur teilweise selbst reparieren.

Potenzial weicher Sensortechnologien

Weiche Sensortechnologien könnten Robotik, taktile Schnittstellen und tragbare Geräte revolutionieren. Die meisten weichen Sensortechnologien sind jedoch nicht langlebig und verbrauchen hohe Energiemengen.

„Die Integration weicher Sensoren in die Robotik ermöglicht es uns, viel mehr Informationen von ihnen zu erhalten, ähnlich wie die Dehnung unserer Muskeln unserem Gehirn Informationen über den Zustand unseres Körpers liefert“, sagte David Hardman vom Cambridge Department of Engineering, Erstautor der im Journal NPG Asia Materials veröffentlichten Arbeit.

EU-Projekt SHERO: Selbstheilende Materialien für Roboterhände

Im Rahmen des EU-finanzierten SHERO-Projekts arbeiten Hardman und Kollegen an weichen, selbstheilenden Sensormaterialien für Roboterhände und -arme. Diese Materialien können erkennen, wenn sie beschädigt sind, die notwendigen Schritte zur vorübergehenden Selbstheilung einleiten und dann ihre Arbeit fortsetzen – ganz ohne menschliches Eingreifen.

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

Frühere Versionen selbstheilender Roboter mussten zum Heilen erhitzt werden, aber die Cambridge-Forscher entwickeln nun Materialien, die bei Raumtemperatur heilen, was sie für reale Anwendungen nutzbarer macht.

Gelatinebasiertes Material mit Salz-Sensoren

„Wir begannen mit einem dehnbaren, gelatinebasierten Material, das billig, biologisch abbaubar und biokompatibel ist, und führten verschiedene Tests durch, wie man Sensoren durch Hinzufügen vieler leitfähiger Komponenten in das Material integrieren kann“, sagte Hardman.

Die Forscher stellten fest, dass das Drucken von Sensoren mit Natriumchlorid – Salz – anstelle von Kohlenstofftinte ein Material mit den gewünschten Eigenschaften ergab. Da Salz im wassergefüllten Hydrogel löslich ist, bietet es einen gleichmäßigen Kanal für ionische Leitung – die Bewegung von Ionen.

Bei Messung des elektrischen Widerstands der gedruckten Materialien zeigte sich, dass Änderungen der Dehnung eine hochlineare Reaktion ergaben, mit der sich Verformungen des Materials berechnen lassen. Das Hinzufügen von Salz ermöglichte zudem die Erfassung von Dehnungen über das Dreifache der ursprünglichen Sensorlänge, sodass das Material in flexible und dehnbare Robotikgeräte integriert werden kann.

Vorteile: Günstig, einfach herzustellen, langlebig

Die selbstheilenden Materialien sind billig und einfach herzustellen, entweder per 3D-Druck oder Gießen. Sie sind vielen bestehenden Alternativen überlegen, da sie langfristige Festigkeit und Stabilität ohne Austrocknen zeigen und vollständig aus weit verbreiteten, lebensmittelsicheren Materialien bestehen.

„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 haften gut an verschiedenen Materialien, lassen sich also leicht in andere Robotikarten integrieren. Beispielsweise konzentriert sich viel Forschung im Bio-Inspired Robotics Laboratory, wo die Forscher ansässig sind, auf die Entwicklung künstlicher Hände. Zwar ist dieses Material ein Proof-of-Concept, doch bei weiterer Entwicklung könnte es in künstliche Haut und maßgefertigte, tragbare und biologisch abbaubare Sensoren integriert werden.