Organogel mit Flüssigmetall: Selbstheilendes leitendes Material für Soft-Roboter
Selbstheilendes, weiches Material, das elektrischen Strom leiten kann. Das haben US-Forscher zustande gebracht und zeigen Anwendungsbeispiele.
Ein Wissenschaftler unterbricht die Stromzufuhr, indem er den leitenden Verbundstoff durchtrennt. Das Material heilt sich dann wieder selbst.
(Bild: Carnegie Mellon University (Screenshot))
Ein Forscherteam der Carnegie Mellon University hat ein weiches Material entwickelt, das eine Leitfähigkeit ähnlich wie Metall sowie Selbstheilungseigenschaften aufweist. Damit ist ein breiter Anwendungsbereich gegeben – von Robotik, Elektronik und Medizin.
Bei dem von den Forschern entwickelte Material handelt es sich um ein mit Flüssigmetall gefüllten Organogel-Verbundstoff. Die Eigenschaften des Materials sind bemerkenswert: Es besitzt eine elektrische Leitfähigkeit, hat eine geringe Steifigkeit, ist hochdehnbar und weist Selbstheilungseigenschaften auf.
Die Forschenden stellen das Material in ihrer in Nature Electronics veröffentlichten Studie "A self-healing electrically conductive organogel composite" anhand von drei Anwendungen vor: ein beschädigungssicherer Soft-Roboter in Form einer Schnecke, eine modulare Schaltung für den Antrieb eines Spielzeugautos sowie eine rekonfigurierbare Bioelektrode zur Messung der Muskelaktivität an verschiedenen Stellen des menschlichen Körpers.
Selbstheilend und leitfähig
Den Schneckenroboter statteten die Wissenschaftler an der Außenseite mit dem leitfähigen, weichen Material aus. Der Roboter selbst wird von einem Elektromotor zur Steuerung der Bewegung angetrieben, Energie bekommt er über eine kleine Batterie, die über das leitfähige Material angeschlossen ist. In einem Experiment trennten die Forscher den Verbundstoff nahezu vollständig durch, wodurch die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters um 50 Prozent abnahm. Die Forscher halfen etwas nach, indem sie die Enden des Materialstreifens wieder aneinander drückten. Aufgrund der Selbstheilungseigenschaften konnte der Schneckenroboter seine elektrische Verbindung wiederherstellen. Danach erreichte er 68 Prozent seiner ursprünglichen Geschwindigkeit.
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Das Material kann auch dazu genutzt werden, elektrische Schaltungen zu rekonfigurieren. Die Wissenschaftler nahmen sich dazu ein Spielzeugauto vor, dessen Elektromotor über den Verbundstoff mit einer Batterie verbunden war. Das Material zerteilten die Forscher in drei Teile und schalteten eine LED auf dem Dach des Autos dazwischen, indem sie die Verbundstoffstreifen entsprechend zusammendrückten.
In einem dritten Experiment schließlich demonstrierte das Wissenschaftsteam weitere Fähigkeiten des Materials zur Ermittlung von Elektromyografie-Messwerten (EMG) an verschiedenen Stellen des Körpers. Der Organogel-Flüssigmetallverbundstoff ist wegen seines Aufbaus in der Lage, über Dehnung Handaktivitäten an den vorderen Muskeln des Unterarmes sowie an der Rückseite des Beines zur Messung der Wadenaktivität zu messen. Die Wissenschaftler sehen darin eine Anwendung in der Medizin als gewebeelektronische Schnittstelle, die weich ist und wiederverwendet werden kann.
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"Anstatt mit Biomonitoring-Elektroden verkabelt zu sein, die den Patienten mit einem auf einem Wagen montierten Biomessgerät verbinden, kann unser Gel als Bioelektrode verwendet werden, die direkt mit am Körper montierter Elektronik verbunden ist, die Informationen sammeln und drahtlos übertragen kann", sagt Carmel Majidi, Professor für Maschinenbau und Hauptautor der Studie.
Majidi und sein Team wollen die Arbeit an dem Verbundstoff fortsetzen. Majidi hofft, anknüpfend an diese Studie an künstlichem Nervengewebe und künstlichen Muskeln arbeiten zu können. Das Ziel: einen Roboter zu bauen, der vollständig aus weichem gelartigen Material besteht. "Es wäre interessant, Roboter mit weichem Körper zur Überwachung schwer zugänglicher Orte einzusetzen. Das könnte eine Schnecke sein, die die Wasserqualität überwacht, oder eine Schnecke, die in unseren Häusern herumkriecht und nach Schimmelpilzen sucht."
(olb)
