Neuprogrammierbare Lego-ähnliche Blöcke emulieren lebendige Flexibilität

Mechanik-Ingenieure der Duke University haben ein Proof-of-Concept für die Programmierung mechanischer Eigenschaften in festen, Lego-ähnlichen Bausteinen demonstriert. Durch Steuerung der Festigkeit hunderter einzelner Zellen in definierten Mustern können zukünftige Robotersysteme ihre mechanischen Eigenschaften und Funktionen in Echtzeit ändern.

Vom 3D-Druck zu muskelähnlicher Anpassung

„Wir wollen Materialien schaffen, die lebendig sind“, erklärt Yun Bai, Erstautorin und Doktorandin im Labor von Professorin Xiaoyue Ni. Herkömmliche 3D-Drucker erzeugen Materialien mit festen Eigenschaften – Änderungen erfordern einen kompletten Neudruck. Das Ziel: Materialien wie menschliche Muskeln, die ihre Steifigkeit in Echtzeit anpassen können.

Funktionsweise: Gallium-Eisen-Composite mit thermischer Schaltung

Die Forscher füllten einzelne Zellen mit einer Gallium-Eisen-Legierung. Bei Raumtemperatur kann dieses Metall-Composite entweder fest oder flüssig sein. Ausgehend vom vollständig festen Zustand ermöglicht lokaler Wärmeeintrag durch elektrischen Strom das gezielte Verflüssigen beliebiger Zellmuster – analog zum Schreiben von Bits auf eine Festplatte.

Zweidimensionale und dreidimensionale Demonstration

2D: Eine dünne, programmierbare Folie, die Steifigkeit und Dämpfung präzise ändern kann, ohne Form oder Geometrie zu verändern. Tests zeigten enorme Flexibilität bei der Nachbildung kommerziell erhältlicher Weichmaterialien von Kunststoffen bis Gummi.

3D: Lego-ähnliche Bausteine, die aneinandergefügt und wieder gelöst werden können. Jeder Block ähnelt einem Rubik's Cube mit 27 einzeln ansteuerbaren Zellen. Durch lokales Erhitzen per elektrischem Signal lassen sich Zellen verflüssigen. Einfrieren auf 0 °C setzt alle Zellen in den festen Zustand zurück – die Konfiguration ist beliebig oft neu programmierbar.

Roboterfisch-Experiment

Zehn dieser Würfel wurden zu einer programmierbaren Schwanzflosse an einem Roboterfisch montiert. Unterschiedliche Anordnungen fester Zellen im Schwanz erzeugten bei gleicher Motoraktivität völlig unterschiedliche Schwimmbahnen – ein deutlicher Beweis für die programmierbare mechanische Funktionalität.

Zukunftsvisionen

• Biokompatibilität: Verwendung verschiedener Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten für Anwendungen im menschlichen Körper (z. B. adaptive Stents, Navigation in Blutgefäßen).
• Miniaturisierung: Einsatz in winzigen Räumen wie Blutgefäßen oder empfindlichen Elektroniksystemen.
• Großsysteme: Aufbau größerer, flexibler, programmierbarer Robotersysteme für vielfältige Aufgaben in diversen Umgebungen.

Die Technologie demonstriert einen Paradigmenwechsel: von statisch gedruckten zu dynamisch programmierbaren Materialien mit muskelähnlicher Echtzeit-Anpassung.

Quelle: Duke University / Motion Design INSIDER.