Energieeffizienter Antrieb: Flossen aus porösem Hydrogel treiben Softroboter an
Kleinstroboter müssen sich energieeffizient bewegen, um wenig Strom zu verbrauchen. Mit leitfähigen Nanopartikeln durchsetzte Hydrogel-Flossen ermöglichen das.
(Bild: Jongkuk Ko u. a.)
Ein Wissenschaftsteam der Korea University, Ajou University und Hanyang University haben gemeinsam einen wasserkäferartigen Roboter entwickelt, der sich mit sehr geringem Energiebedarf über das Wasser bewegen kann. Der Softroboter besitzt Flossen aus porösem Hydrogel, das mit leitfähigen Nanopartikeln durchsetzt ist. Mit ihnen wird Vorwärtsschub erzielt und manövriert.
Das Konzept ihres Aquabot haben die Forscher in dem in Science Robotics veröffentlichten wissenschaftlichen Paper "High-performance electrified hydrogel actuators based on wrinkled nanomembrane electrodes for untethered insect-scale soft aquabots" vorgestellt. Prinzipiell besteht der Roboter aus einem bootsförmigen, schwimmenden, etwa 15 mm langen Körper, in dem die Ansteuerungselektronik für zwei angeflanschte Hydrogel-Flossen und Batterien untergebracht sind.
Hydrogel wird oft in winzigen Soft-Robotern für die Medizintechnik verwendet, weil das Material für den Menschen gut verträglich und einfach formbar ist. Allerdings besitzt es eine schlechte elektrische Leitfähigkeit, wodurch es sich nicht dafür eignet, um das Material etwa durch Strom formen zu lassen. Bis jetzt. Denn die südkoreanischen Wissenschaftler haben einen Teil des porösen Hydrogels mit leitfähigen Nanopartikeln durchsetzt, die als faltbare Nanomembranelektrode (wrinkled nanomembrane electrode (WNE) wirkt. Das Material kann nun Strom zuverlässig leiten.
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Die angelegte Elektrizität erzeugt in einem kleinen Teil des Hydrogels einen elektroosmotischen Wasserfluss, wodurch das Hydrogel anschwillt und die Form der Flosse verändert. Darüber lässt sich ein Schub erzeugen, der den Aquabot ähnlich wie Ruderblätter bei einem Ruderboot vorantreibt. Durch geschickte Ansteuerung der beiden Flossen gelingt es den Wissenschaftlern, den Roboter in die gewünschten Richtungen zu bewegen.
Geringer Energiebedarf, hohe Leistung
Der Energieaufwand dafür ist sehr gering, schreibt das Forscherteam. In Tests wiesen sie nach, dass die beiden Flossen mit einer 3-Volt-Batterie betrieben werden konnten. Die Aktuatoren wiesen nach Angaben der Wissenschaftler bei weniger als 3 V Betriebsspannung eine Energiedichte von mehr als 7 x 105 J pro m-3 sowie eine Leistungsdichte von mehr als 3 x 104 W cm-3 auf. Die Leistungsaufnahme betrug weniger als 40 mW cm-2. Zwar können auch bisher übliche elektrochemisch betriebene Aktuatoren etwa aus Polymer-Metall-Verbundwerkstoffen mit einer solch geringen elektrischen Spannung betrieben werden, allerdings fällt deren Leistung aufgrund ihrer chemischen und mechanischen Mechanismen und Eigenschaften deutlich geringer aus.
Die beiden Hydrogel-Flossen des südkoreanischen Wissenschaftsteams machen lediglich 2 Prozent der gesamten Körpermasse des Aquabot aus. Dies sei mit herkömmlichen Elektromotoren oder anderen weichen Aktuatoren als Antrieb derzeit nicht erreichbar. Die Wissenschaftler sehen ihre Hydrogel-Flossen aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit deshalb vor allem für Hochleistungsanwendungen geeignet, etwa in autonomen Robotern in einer Größe von wenigen Millimetern.
(olb)