Kriechende Magnet-Roboter aus dem 3D-Drucker

Cambridge (USA) - Materialforscher verfügen über eine Vielzahl von Substanzen, die sich mit Licht, Wärme, elektrischen oder magnetischen Feldern gezielt und reversibel verformen lassen. Aus diesen konnten bereits schwingende Flossen oder sich selbst zusammenfaltende Origami-Strukturen gefertigt werden. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten nun amerikanische Wissenschaftler, wie mit einem Kompositmaterial aus Gummi und magnetischen Mikropartikeln deutlich komplexere Bewegungen möglich werden. Strukturiert mit einem 3D-Drucker entstand so eine neue Klasse weicher Roboter, die durch magnetische Felder gesteuert kontrolliert zugreifen, springen und kriechen können.

„Mit unserer neuen Methode können wir weiche Materialien drucken, die sich mit Magnetfeldern schnell, reversibel und schnurlos zu komplexen, dreidimensionalen Strukturen verformen lassen“, sagt Xuanhe Zhao vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Gemeinsam mit seinen Kollegen fertigte er eine Vielzahl magnetisch steuerbarer Prototypen: Eine sternförmige, flache Folie etwa griff binnen Bruchteilen einer Sekunde eine rollende Kugel auf, eine dreidimensionale Wabenstruktur zog sich ebensoschnell zusammen. Mit rotierenden Magnetfeldern brachte Zhao einen anderen gedruckten Prototyp – vergleichbar mit einem Seestern mit sechs Armen – zum Kriechen, ein weiterer Gummiroboter vollführte bei raschen Wechseln des Magnetfelds kleine Sprünge.

Die Grundlage dieser Vielseitigkeit bildete eine ausgeklügelte Materialmischung aus Silikongummi und Mikropartikeln aus einer magnetisierbaren Neodym-Eisen-Bor-Legierung. In die flüssige, noch nicht polymerisierte Kunststoffsubstanz mischten Zhao und Kollegen die etwa fünf Mikrometer durchmessenden kleine Metallteilchen. Ein weiterer Zusatz von 20 bis 30 Nanometer kleinen Siliziumdioxid-Partikel verbesserte die Fließeigenschaften dieser flüssigen Mischung. Mit Magnetpulsen von 2,7 Tesla wurden die Metallpartikel vorab magnetisiert.

Diese Flüssigkeit füllten die Forscher in einen 3D-Drucker. Sie konnte durch eine feine, konische Düse in zuvor bestimmte Bereiche auf eine Unterlage gespritzt werden. Um die Druckerdüse montierten die Forscher einen Elektromagneten, mit dessen Magnetfeld sich die magnetischen Mikropartikel exakt ausrichten ließen. Nach der vernetzenden Polymerisierung des gedruckten Silikonmasse bildeten die Mikropartikel genau definierte Areale mit jeweils unterschiedlich ausgerichteten magnetischen Polen. In den fertigen teils flachen, teils aus mehreren Druckschichten aufgebauten dreidimensionalen Prototypen wurden diese Areale je nach Ausrichtung der Mikropartikel von einem externen Magnetfeld angezogen oder abgestoßen.

Mit einer speziellen Software designten Zhao und Kollegen vielfältige Strukturen mit unterschiedlichen ausgerichteten, magnetischen Bereichen. „Im Unterschied zu früheren Methoden können wir magnetische Polaritäten direkt in komplexen 3D-Strukturen erzeugen“, sagt Zhao. Dadurch ließen sich die mit einem externen Magnetfeld angeregten Bewegungen der gesamten gedruckten Struktur exakt planen. Dieser neue Ansatz für die Fertigung magnetisch kontrollierbarer Strukturen könnte zu zahlreichen Anwendungen führen. Dazu zählen etwa magnetische, weiche Greifarme für Roboter, flexibel bewegbare Elektronikmodule oder auch schnurlos steuerbare Instrumente in der Medizintechnik.