Open-Source-Roboter hilft bei der Entwicklung neuer Materialien

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Ein Forschungsteam der naturwissenschaftlichen Fakultät der Hokkaido University hat ein Robotersystem mit dem Namen FLUID (Flowing Liquid Utilizing Interactive Device) aus einem 3D-Drucker und weiteren handelsüblichen Elektronikkomponenten entwickelt, der dabei helfen kann, neue Materialien zu erstellen. Der Roboter ist Open Source und kann für eigene Projekte in der Materialwissenschaft frei nachgebaut werden.

FLUID besteht im Wesentlichen aus vier voneinander unabhängigen Modulen, die auf Basis eines herkömmlichen 3D-Druckers aufgebaut sind. Die einzelnen Module umfassen jeweils eine Spritze, zwei Ventile, einen Servomotor zur Ventilsteuerung und einen Schrittmotor, der zur präzisen Ansteuerung des Spritzenkolbens dient. Die Module sind mit einem End-Stopp-Sensor ausgestattet, um den Füllstand der Spritze zu kontrollieren. Angesteuert werden die Module über Mikrocontroller, die per USB von einem Rechner ihre Steuerbefehle erhalten. Sensoren liefern Statusinformationen etwa der Ventileinstellungen und Spritzenbewegungen in Echtzeit, sodass diese Daten bei den Steuerungsprozessen berücksichtigt werden können.

"Durch die Übernahme von Open Source, die Verwendung eines 3D-Druckers und die Nutzung allgemein verfügbarer Elektronik war es möglich, einen funktionalen Roboter zu konstruieren, der zu einem Bruchteil der Kosten, die üblicherweise mit kommerziell erhältlichen Robotern verbunden sind, an bestimmte Bedürfnisse angepasst ist", sagt Mikael Kuwahara, Hauptautor der Studie "Development of an Open-Source 3D-Printed Material Synthesis Robot FLUID: Hardware and Software Blueprints for Accessible Automation in Materials Science", die in ACS Applied Engineering Materials erschienen ist.

Mit FLUID können Materialwissenschaftler neue Materialien schneller entwickeln. Der Roboter kann dazu verwendet werden, das Kopräzipitationsverfahren zu automatisieren. Normalerweise lösliche Substanzen werden dabei durch einen Niederschlag abgetragen. In der Materialwissenschaft wird dieses Verfahren dazu genutzt, um etwa Nanopartikel herzustellen oder Lanthanoid-dotierte Nanokristalle zu synthetisieren.

Günstiger Roboter auch für Nischenanwendungen

Die Wissenschaftler stellen die Anleitung zum Bau des Roboters als Open Source zur Verfügung (Download). Sie wollen damit einer breiten Forschergemeinschaft einen preisgünstigen Roboter zur Verfügung stellen, der Experimente in der Materialwissenschaft automatisch ausführen kann. Das sei vor allen Dingen in Nischenbereichen von Vorteil, für die keine kommerziellen Systeme verfügbar oder sie schlicht zu teuer sind.

Die Entwicklung von FLUID sei aber noch nicht abgeschlossen, sagen die Forscher. Sie wollen weitere Sensoren einbauen, um etwa Temperatur und pH-Wert überwachen und in die Prozesse einbeziehen zu können. Der Roboter soll so eine größere Bandbreite chemischer Reaktionen handhaben können. Dazu gehört etwa die Polymermischung und die organische Synthese.

Auch an der Steuerungssoftware wollen die Wissenschaftler weiter schrauben. Sie beabsichtigen, Makros für sich wiederholende Aufgaben einzufügen und wollen eine verbesserte Datenprotokollierung realisieren.

(olb)