Bionik: Schmetterlingsrüssel als Inspiration für neuen Roboterantrieb

Auch in der Mikro- und Softrobotik werden Bewegungen oder Greifer von sogenannten Aktuatoren gesteuert. Dabei entstehen völlig neue Anforderungen an die Komponenten eines solchen System: Mikroroboter arbeiten auf kleinstem Raum, während Softroboter elastisch verformbar sein müssen. Diese Anforderungen lassen sich oft nur mit neuen Materialien verwirklichen. Hier setzte ein Team rund um Dr. Zaklina Burghard, Gruppenleiterin am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart, an: «Wir haben nicht nur ein Material entwickelt, das sich dafür eignet, sondern eine Technologieplattform, um dünne funktionale Schichten innerhalb von Sekunden in dreidimensionale Mikrorollen zu verwandeln. Diese Mikrorollen dienen dann als Antriebselement.»

 

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen des Querschnitts einer 2 × 25 mm großen keramischen Mikrorolle. Quelle: IMW, Copyright: Universität Stuttgart

 

Elegante kompakte Form

Wer schon einen Schmetterling beobachtet hat, staunt über die elegante kompakte Schneckenform seines Saugrüssels, den er blitzschnell wieder abrollen beziehungsweise aufrollen kann. Genau dieses Prinzip adaptierten die Forscher für ihre Technik. Sie entwickelten dünne Keramikschichten aus Vanadiumpentoxid, in die sie magnetische Nanopartikel eines Eisenoxids einlagerten. Mithilfe eines einfachen mechanischen Prozesses wandelten sie diese in dreidimensionale Mikrorollen um: Mit einer feinen Rasierklinge werden die dünnen Schichten – ähnlich einem Hobel – vorsichtig vom Träger abgelöst. Durch die Biegung beim Ablösen wickelt sich die Schicht innert weniger Sekunden zu einer dreidimensionalen Mikrorolle auf. Nähert sich der aufgerollten Schicht ein Magnet, entrollt sie sich wieder sekundenschnell.

 

Magnetischer Antrieb einer programmierbaren keramischen Mikrorolle. Quelle: IMW, Copyright: Universität Stuttgart

 

Verblüffende Leistungswerte

Während konventionelle keramische Materialien als spröde gelten, bleiben solch dünne Keramikschichten aufgrund des bioinspirierten Designs der Nano- und Mikrostruktur ausserordentlich flexibel, ohne Stabilität zu verlieren. Hinzu kommen die verblüffenden Leistungswerte des neu entwickelten Roboterantriebs:

• Aufgewickelt haben die winzigen Rollen nur einige hundert Mikrometer Durchmesser, abgerollt erreichen sie eine Länge von bis zu 25 mm.
• Sie sind in der Lage, mehr als das 30-Fache ihres eigenen Gewichts zu bewegen.
• In Experimenten erwiesen sich die Mikrorollen als sehr widerstandsfähig: Selbst nach 5000 Zyklen funktionierten sie noch tadellos.
• Sie lassen sich auch flächig als programmierbare Matrix anordnen. Mehrere Rollen arbeiten dann simultan und koordiniert zusammen, um Mikroobjekte anzuheben, zu verschieben oder zu bearbeiten.

 

 

«Der Antrieb ist für mich nur der Anfang», sagt Burghard. «Die eigentliche Innovation ist die Technologieplattform. Wir wollen mit ihr künftig sowohl organische als auch anorganische magnetisch steuerbare Mikrorollen aus dünnen Schichten herstellen.» Neben der Robotik dürften sich folglich auch in Zukunft völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten für Elektronik, Sensorik und Energiespeicher eröffnen.