Umprogrammierbare Blöcke im Lego-Stil emulieren die Wohnflexibilität

Motion Design INSIDER

Xiaoyue Ni beobachtet einen Roboterfisch mit umprogrammierbarem Schwanz beim Schwimmen in einem Aquarium. Der Nachweis könnte zu Materialien mit umprogrammierbaren Materialeigenschaften führen, die im menschlichen Körper oder in der Elektronik funktionieren könnten. (Bild:Mit freundlicher Genehmigung der Forscher)

Maschinenbauingenieure der Duke University haben eine Proof-of-Concept-Methode zur Programmierung mechanischer Eigenschaften in solide Lego-ähnliche Bausteine demonstriert. Durch die Kontrolle der Festigkeit von Hunderten einzelner Zellen in bestimmten Mustern könnte der Ansatz es futuristischen Robotern ermöglichen, ihre mechanischen Eigenschaften und Funktionen im Handumdrehen zu ändern.

In ihren ersten Tests zeigen die Forscher, wie ein schwanzartiger 3D-Strahl mit verschiedenen Konfigurationen einen Roboterfisch bei gleicher motorischer Aktivität auf verschiedenen Wegen durch Wasser bewegen kann. Das Team stellt sich miniaturisierte Versionen der Technologie vor, die beispielsweise durch Blutgefäße manövrieren könnten, um deren Gesundheit zu überwachen, oder sich sogar neu konfigurieren könnten, um einen adaptiven Stent zu bilden.

„Wir wollen Materialien herstellen, die lebendig sind“, erklärte Yun Bai, Erstautorin des Artikels und Doktorandin. Student im Labor von Xiaoyue Ni, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke. „3D-Drucker können Materialien mit spezifischen mechanischen Eigenschaften erzeugen, aber man muss den Druck wiederholen, um sie zu ändern. Wir wollten so etwas wie menschliche Muskeln schaffen, die ihre Steifheit in Echtzeit ändern können.“

Um dies zu erreichen, füllten die Forscher einzelne Zellen mit einer Rezeptur aus Gallium und Eisen. Bei Raumtemperatur kann dieser Metallverbund entweder fest oder flüssig sein. Ausgehend von einem vollständigen Feststoff können Forscher Wärme mit elektrischem Strom anwenden, um jedes Zellmuster zu verflüssigen, fast so, als würden Einsen und Nullen auf eine Festplatte geschrieben und gespeichert.

In zwei Dimensionen handelt es sich bei dem resultierenden Material im Wesentlichen um eine dünne Folie, die so programmiert werden kann, dass sie Steifigkeit und Dämpfung präzise verändert, ohne ihre Form oder Geometrie zu verändern. Das Material wurde intensiv getestet und zeigte eine enorme Flexibilität, um eine Reihe kommerziell erhältlicher weicher Materialien von Kunststoff bis Gummi nachzuahmen.

Noch interessanter wird das Konzept jedoch in drei Dimensionen. In ihrer Demonstration stellten die Forscher Lego-ähnliche Bausteine ​​her, die in jeder beliebigen Konfiguration zusammengesteckt und wieder gelöst werden können. Jeder Block ähnelt einem Zauberwürfel mit 27 einzelnen Zellen, von denen jede durch lokalisierte Wärme eines elektrischen Signals verflüssigt werden kann. „Das gibt uns die Flexibilität, 3D-Strukturen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu erstellen“, sagte Bai. „Und das Einfrieren der Blöcke bei null Grad setzt alle Zellen in ihren festen Zustand zurück, sodass ihre Konfiguration immer wieder neu programmiert werden kann.“

In der Arbeit fügten die Forscher zehn dieser Würfel zu einer geraden Säule zusammen, um eine Art programmierbaren Schwanz zu erzeugen, befestigten ihn an einem einfachen Motor in einem Roboterfisch und testeten die Schwimmfähigkeiten verschiedener Konfigurationen. Derselbe Roboterfisch mit unterschiedlicher Anordnung fester Zellen im Schwanz zeigte sehr unterschiedliche Schwimmbahnen.

Aufbauend auf dieser Plattform stellen sich die Forscher vor, verschiedene Metalle zu verwenden, um unterschiedliche Gefrier- und Schmelzpunkte zu erzeugen, die beispielsweise die Verwendung dieser Materialien im menschlichen Körper ermöglichen könnten. Sie glauben auch, dass der Aufbau miniaturisiert werden könnte, um innerhalb winziger Grenzen wie menschlicher Blutgefäße oder empfindlicher elektronischer Systeme zu funktionieren.

„Unser Ziel ist es, mit den Verbundwerkstoffen schließlich größere Systeme zu bauen“, sagte Ni. „Wir wollen flexible, programmierbare Materialien für die Robotik bauen, die es ihnen ermöglichen, eine Vielzahl von Aufgaben in den unterschiedlichsten Umgebungen auszuführen.“

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