Roboter aus dem 3D-Drucker

Eine Vielzahl von Substanzen lässt sich mithilfe von Licht, Wärme, elektrischen oder magnetischen Feldern gezielt und reversibel verformen. Diese Eigenschaft machten sich Materialforscher nun zunutze: Mit einem 3D-Drucker stellten sie eine neue Klasse weicher Roboter her. Durch magnetische Felder gesteuert können ihre Prototypen aus Gummi und magnetischen Mikropartikeln kontrolliert zugreifen, springen und kriechen.

Xuanhe Zhao vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge fertigte gemeinsam mit seinen Kollegen eine Vielzahl magnetisch steuerbarer Strukturen: Eine sternförmige Folie etwa griff in Bruchteilen einer Sekunde eine rollende Kugel auf, eine dreidimensionale Wabenstruktur zog sich ebenso schnell zusammen. Mit rotierenden Magnetfeldern brachte das Team einen weiteren Prototyp zum Kriechen, ein anderer Roboter vollführte bei raschen Wechseln des Magnetfelds kleine Sprünge.

Die Grundlage für die vielfältigen Strukturen bildet ein ausgeklügelter Materialmix aus Silikongummi und winzigen Partikeln aus einer magnetisierbaren Neodym-Eisen-Bor-Legierung. Mit starken Magnetpulsen magnetisierten Zhao und seine Kollegen die etwa fünf Mikrometer messenden Metallteilchen und mischten sie anschließend in die flüssige – noch nicht polymerisierte – Kunststoffsubstanz. Ein Zusatz von zwanzig bis dreißig Nanometer großen Siliziumdioxidpartikeln verbesserte zudem die Fließeigenschaften der Mixtur.

In einem nächsten Schritt füllten die Forscher das flüssige Kompositmaterial in einen 3D-Drucker. Durch eine feine konische Düse ließ es sich dann in zuvor bestimmte Bereiche einer Unterlage spritzen. Ein um die Druckerdüse montierter Elektromagnet erlaubte dabei, die magnetischen Mikropartikel exakt auszurichten. Auf diese Weise entstanden im ausgehärteten Silikongummi genau definierte Areale mit jeweils unterschiedlich ausgerichteter magnetischer Polarisierung. Diese Bereiche werden von einem externen Magnetfeld entweder angezogen oder abgestoßen.

Mit einer speziellen Software entwarfen Zhao und seine Kollegen dreidimensionale Strukturen mit jeweils unterschiedlich ausgerichteten magnetischen Bereichen – teils aus mehreren Druckschichten. „Im Unterschied zu früheren Methoden können wir magnetische Polaritäten direkt in komplexen 3D-Strukturen erzeugen”, erläutert Zhao. Dadurch ließen sich die mit einem externen Magnetfeld angeregten Bewegungen der gesamten gedruckten Struktur exakt planen. Dieser neue Ansatz für die Produktion magnetisch kontrollierbarer Strukturen könnte zu zahlreichen Anwendungen führen. Dazu zählen etwa magnetische Greifarme für Roboter, flexibel bewegbare Elektronikmodule oder auch schnurlos steuerbare Instrumente in der Medizintechnik.