Ein Grashüpfer

Oct 09, 2023

RUPENDRA BRAHAMBHATT – 11. März 2023, 12:55 Uhr UTC

Übermenschen gibt es in der realen Welt nicht, aber eines Tages könnte man vielleicht Superroboter sehen. Natürlich können Roboter gebaut werden, die stärker, schneller und besser sind als Menschen, aber glauben Sie, dass es eine Grenze dafür gibt, wie viel besser wir sie machen können?

Dank der laufenden Entwicklungen in der Materialwissenschaft und der Soft-Robotik entwickeln Wissenschaftler jetzt neue Technologien, die es künftigen Robotern ermöglichen könnten, die Grenzen der nichtmenschlichen Biologie zu überschreiten. Beispielsweise hat ein Forscherteam der University of Colorado Boulder kürzlich ein Material entwickelt, das weiche Roboter hervorbringen könnte, die in der Lage sind, 200-mal über ihre eigene Dicke hinaus zu springen. Heuschrecken, einer der erstaunlichsten Springer der Erde, können nur bis zum Zwanzigfachen ihrer Körperlänge in die Luft springen.

Obwohl sie den Insekten überlegen waren, sagten die Forscher hinter dem gummiartigen Sprungmaterial, dass sie sich von Heuschrecken inspirieren ließen. Ähnlich wie das Insekt speichert das Material große Energiemengen in der Umgebung und gibt diese dann beim Sprung vollständig ab.

Der gummiartige Film besteht aus Flüssigkristallelastomeren (LCEs), speziellen Materialien, die aus vernetzten Polymernetzwerken bestehen. Diese weisen Eigenschaften von Elastomeren (zur Herstellung von Reifen, Klebstoffen und weichen Robotern) und Flüssigkristallen (zur Herstellung von Fernsehbildschirmen, künstlichen Muskeln und Mikrobots) auf und reagieren stark auf verschiedene äußere Reize. Insgesamt sind LCEs stärkere, flexiblere und bessere Aktoren als herkömmliche Elastomere.

Die Erstautorin der Studie, Tayler Hebner, und ihre Kollegen untersuchten LCEs und ihre Fähigkeit, ihre Form zu verändern. Sie hatten zu diesem Zeitpunkt nicht die Absicht, einen springenden Roboter zu entwickeln, beobachteten jedoch ein interessantes Verhalten von LCEs. „Wir sahen gerade zu, wie das Flüssigkristall-Elastomer auf der Heizplatte lag und fragten uns, warum es nicht die Form annahm, die wir erwartet hatten. Es sprang plötzlich von der Testphase auf die Arbeitsplatte“, sagte Hebner in einer Pressemitteilung.

Beim Kontakt mit der heißen Stelle verformte und drehte sich das Material zunächst und sprang dann innerhalb der nächsten sechs Millisekunden plötzlich in die Luft, bis zu einer Höhe von etwa dem 200-fachen seiner Dicke.

Die Forscher erkannten, dass LCEs auf Hitze reagieren, was zur Entwicklung des heuschreckenähnlichen Materials führte. Hamed Shahsavan, ein Materialwissenschaftsexperte an der University of Waterloo, der nicht an der Studie beteiligt war, kommentierte diese Ergebnisse und sagte gegenüber Ars Technica: „LCEs reagieren typischerweise auf Wärme oder Licht. Bei dieser Arbeit wird auch Wärme zur Energieerzeugung genutzt.“ für die Verformung und das Springen von LCEs erforderlich.“

Den Forschern zufolge besteht das heuschreckenartige Material aus drei Elastomerschichten und Flüssigkristallen. Wenn das Material erhitzt wird, beginnen die Elastomerschichten zu schrumpfen, aber die Schrumpfungsrate ist in den oberen beiden Schichten schneller, die weniger steif sind als die untere Schicht. Mittlerweile beginnen auch die Flüssigkristalle sich zusammenzuziehen. Als Ergebnis dieser unverhältnismäßigen Veränderungen entsteht in der Nähe der Beine auf der Rückseite des Roboterkörpers eine kegelartige Formation.

An den vier Eckseiten des Roboters sind vier Beine befestigt: zwei kurze Beine vorne und zwei lange Beine hinten. Den Forschern zufolge bieten die längeren Hinterbeine im Vergleich zu den kurzen Beinen einen höheren Kontaktpunkt, wodurch die Durchschnappkraft das Material im gewünschten Winkel anhebt.

Im Kegel wird eine große Menge Energie gespeichert, was zu einer mechanischen Instabilität des Films führt. Wenn das LCE weiter erhitzt wird, kehrt sich die kegelförmige Formation schnell um und das Material wird in die Luft geschleudert. Die Studienautoren stellen fest: „Die konzentrische Ausrichtungspackung in jedem der LCEs programmiert eine Richtungsänderung der Form in einen Kegel. Es zeigt sich jedoch, dass Variationen in der Reaktion des LCE und den mechanischen Eigenschaften der Materialien zu einer zeitlichen Instabilität führen, die sich manifestiert.“ als Snap-Through in einem freistehenden Film.

Die Forscher behaupten, dass sie die Konfiguration ihres Sprungmaterials so ändern können, dass es beim Abkühlen statt beim Erhitzen springt. Außerdem können sie die Richtung, in die das Material springt, leicht steuern, indem sie die Ausrichtung seiner Beine ändern. Shahsavan schlägt vor, dass solche LCEs zur Herstellung verschiedener mobiler Soft-Roboter und -Geräte verwendet werden könnten.

Er fügte hinzu: „Die Beschränkung des in dieser Studie gezeigten Sprungmechanismus bietet eine große Menge an Energieausgangsdichte, die für die Tragfähigkeit kleiner Soft-Roboter genutzt werden kann. Springen kann auch für die Fortbewegung kleiner Roboter auf unebenen Flächen genutzt werden.“ Gelände, entweder direkt oder als Hilfsmechanismus für andere Fortbewegungsmechanismen wie Gehen, Kriechen, Kriechen usw.

LCEs wurden vor etwa 42 Jahren von einem Chemiker namens Heino Finkelmann entdeckt, aber dies ist wahrscheinlich das erste Mal, dass Wissenschaftler ihre außergewöhnlichen Sprungfähigkeiten erkannt haben. Das resultierende heuschreckenartige Material könnte ein wirksames Mobilitätsmittel für die Soft-Robotik darstellen.

Science Advances, 2023. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.ade1320 (Über DOIs)

Rupendra Brahambhatt ist ein erfahrener Journalist und Filmemacher. Er berichtet über Wissenschafts- und Kulturnachrichten und arbeitet seit fünf Jahren aktiv mit einigen der innovativsten Nachrichtenagenturen, Magazinen und Medienmarken zusammen, die in verschiedenen Teilen der Welt tätig sind.