Muskeln aus dem Drucker: Harvard programmiert Bewegung direkt ins Material
Roboter können heute schon sehen, hören und greifen. Was ihnen fehlt, ist Beweglichkeit auf biologischem Niveau. Muskeln lassen sich biegen, drehen, strecken und zusammenziehen, und zwar mit einer Präzision, die kein Motor auch nur annähernd erreicht. Forscher:innen der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences haben jetzt eine Drucktechnik entwickelt, die genau das ins Material selbst einschreibt.
Bewegung direkt im Material
Das Team um Jennifer Lewis nutzt einen Ansatz namens rotational multimaterial 3D printing. Dabei drückt eine rotierende Düse zwei verschiedene Werkstoffe gleichzeitig Seite an Seite aus. Das erste Material ist ein sogenannter Flüssigkristallelastomer, ein Polymer, das sich bei Erwärmung entlang einer bestimmten molekularen Vorzugsrichtung zusammenzieht. Das zweite ist ein weicher passiver Elastomer, der seine Form beibehält und der Kontraktion des aktiven Materials mechanisch entgegenwirkt.
Weil die beiden Komponenten fest aneinander haften, erzeugt der Unterschied in ihrem Verhalten eine Biegekraft. Die Düse rotiert beim Drucken, wodurch die Molekülausrichtung des aktiven Materials schraubenförmig in den Faden eingeschrieben wird. So lässt sich schon beim Drucken festlegen, ob ein Filament sich bei Wärme krümmt, streckt, verdrillt oder zusammenzieht.
Von der Faser zur Struktur
Einzelne Fäden werden dann zu komplexeren Gittern und Lattices verwoben. Dabei entscheidet die Position des aktiven Materials innerhalb der Wellenform darüber, wie sich die Struktur verhält. Ein Faden, bei dem der Flüssigkristallelastomer auf der Außenseite der Kurve sitzt, streckt sich bei Wärme. Sitzt er auf der Innenseite, zieht er sich zusammen.
Das Team demonstrierte mehrere Anwendungen. Flache Gitter formten sich beim Erhitzen zu kuppelartigen Strukturen. Aktive Filter öffnen und schließen ihre Poren temperaturabhängig, um Partikel durchzulassen oder zurückzuhalten. Ein weicher Greifer senkte sich auf Objekte ab, umschloss sie beim Erhitzen und ließ sie beim Abkühlen wieder los, ohne jede externe Mechanik.
Anwendung in der Robotik und Medizin
Die Forschungsgruppe hat bereits Filamente mit einem Durchmesser von rund 100 Mikrometern gedruckt und sieht Potenzial für noch feinere Strukturen. Als Anwendungsfelder nennen die Forscher:innen weiche Robotergreifer, steuerbare Ventile und biomedizinische Implantate. Für letzteres eignen sich verflochtene Filamente, die sich in situ zu porösen Strukturen zusammenfügen und beispielsweise Gewebe verschließen könnten.
