Roboteraktuatoren: EPFL entwickelt spezielle Elastomere für 3D-Druck
Weiche Aktuatoren für Roboter benötigen weniger Energie zur Bewegung wie harte, schwere mechanische Verbindungen. Die EPFL will sie größtenteils 3D-drucken.
Ein mit DNGEs 3D-gedruckter Finger. In ihm ist eine knochenartige Struktur integriert.
(Bild: Adrian Alberola / EPFL)
Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben ein Verfahren entwickelt, um unter anderem Roboteraktuatoren und Prothesen auf Basis von Elastomeren im 3D-Druckverfahren herzustellen. Die neu entwickelten Elastomere weisen dazu verschiedene lokale mechanische Eigenschaften auf. Mit solchen Elastomer-basierten Aktuatoren können auf schwere mechanische Verbindungen verzichtet werden, um so Energie einzusparen oder bei tragbaren Roboter-Prothesen der Tragekomfort erhöht werden.
Bisher war es nicht möglich, 3D-Strukturen herzustellen, die über ihre Länge hinweg unterschiedliche mechanische Eigenschaften, etwa von starr bis dehnbar, aufweisen. Das ändert sich nun mit den druckbaren Elastomeren der EPFL, die auf synthetische Polymere aufsetzen.
"Elastomere werden in der Regel gegossen, sodass ihre Zusammensetzung nicht in allen drei Dimensionen über kurze Längenskalen verändert werden kann. Um dieses Problem zu überwinden, haben wir DNGEs entwickelt: 3D-druckbare granulare Elastomere mit doppeltem Netzwerk, die ihre mechanischen Eigenschaften in einem noch nie dagewesenen Ausmaß verändern können", erklärt Esther Amstad, Leiterin des Soft Materials Laboratory der EPFL School of Engineering.
Doppeltes elastomeres Netzwerk
Die Vielseitigkeit verdankt das Elastomer zweier elastomerer Netzwerke, schreiben die Wissenschaftler in dem wissenschaftlichen Paper "3D Printing of Double Network Granular Elastomers with Locally Varying Mechanical Properties", der in Advanced Materials erschienen ist.
Zur Herstellung des Materials werden elastomere Mikropartikel aus Öl-in-Wasser-Emulsionstropfen gewonnen. Sie werden in eine Vorläuferlösung gegeben, nehmen dort Elastomerverbindungen auf und quellen danach auf. Diese Mikropartikel werden dazu verwendet, um aus ihnen eine 3D-druckbare Flüssigkeit zu erstellen, um mittels eines Bio-3D-Druckers die gewünschte 3D-Struktur zu erzeugen. Der Vorläufer wird in der 3D-Struktur polymerisiert. Dadurch entsteht ein zweites elastomeres Netzwerk, schreiben die Forscher. Das sorgt dafür, dass das gesamte Objekt versteift.
Das erste Netzwerk ist demnach für die Steifigkeit verantwortlich, das zweite für die Bruchbeständigkeit. Die Wissenschaftler geben in der Studie an, dass die beiden Netzwerke unabhängig voneinander beeinflusst werden können, um eine geeignete Kombination aus Steifigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit zu erzielen. Die Forscher weisen darauf hin, dass Elastomere besser geeignet seien als Hydrogele, die häufig in ähnlichen Verfahren genutzt werden. Denn diese enthalten Wasser, welches das Material instabiler macht. Entsprechend sei es nicht für eine Dauerbelastung geeignet. Diese negativen Eigenschaften besitzen DNGEs nicht. Sie können zusätzlich mit jedem Standard-Bio-Drucker ausgedruckt werden.
Vom künstlichen Finger bis zur tragbaren Prothese
Die Wissenschaftler haben das Verfahren anhand der Erstellung eines künstlichen Fingers erprobt. Mit DNGEs wurde ein Finger ausgedruckt, der sich in einer vordefinierten Art und Weise verformen kann. Unter der flexiblen Hülle brachten die Forscher starre Elemente als "Knochen" ein. Der Finger zeigte darüber hinaus die Eigenschaft auf, flexibel genug zu sein, um mit wenig Energieaufwand bewegt zu werden, zugleich aber auch fest genug zu sein, um damit Objekte manipulieren zu können. Die Wissenschaftler sehen darin einen Ansatz, um aus diesen Materialien weiche Aktuatoren für Roboter und tragbare Prothesen erstellen zu können, die ohne sperrige Gelenke auskommen.
Die Wissenschaftler des Soft Materials Lab sind bereits dabei, aktive Elemente in die 3D-Strukturen aus DNGEs einzubringen. Darunter befinden sich reaktionsfähige Materialien und elektrische Verbindungen.
(olb)