Weichroboter ahmt Raupenbewegung nach

Forscher an der Tufts Universität in den USA setzen eine biaxiale Prüfmaschine von Zwick ein, um biologische und technisch biocompatible Materialien zur Entwicklung des ersten Weichkörperroboters der Welt zu prüfen. Basierend auf dem neuromechanischen System der Raupe (Manduca sexta) ist der „Softbot“ Prototyp etwa 30 cm lang and besteht aus Silikon-Elastomer. Professor Luis Dorfmann leitet die Untersuchungen zur Materialcharakterisierung.

Die biaxiale Zwick-Prüfmaschine wird eingesetzt, um isotrope und anisotrope Elastomere zu charakterisieren und schafft damit die Grundlage für die Forscher, das Verhalten des Materials zu charakterisieren. „Im Gegensatz zu Wirbeltieren haben die Muskeln von Raupen keine zugehörigen Knochen, die ein Hebelsystem bilden“, erläutert Professor Barry Trimmer, ein leitender Forscher des Projekts. „Obwohl wir vieles über Wirbeltiermuskeln wissen, haben wir kaum Kenntnisse über die Muskeln von Raupen. Aber Raupen können Wände hoch kriechen oder schmale Zweige oder Halme mit klettverschlussartigen Füssen greifen oder ihre Körper fest zusammenrollen wenn sie ihre Umgebung wahrnehmen.“

Deshalb ist eine genaue Kenntnis der Weichmaterialien der erste notwenige Schritt, um einen Softroboter zu bauen, der nicht aus dem herkömmlichen harten Material besteht.

Zu den möglichen Anwendungsgebieten für diese innovativen Roboter zählen Such- und Rettungseinsätze, medizinische Diagnose und Behandlung sowie Fertigung und Luft- und Raumfahrt.

Obwohl die Weichkörperroboter-Prototypen nicht aus einem Material bestehen, das alle Eigenschaften der natürlichen Oberhaut nachahmt, hat das Team das Ziel, einen Weichkörperroboter herzustellen aus einem biologisch abbaubaren Material wie Seide „Die Entwicklung eines weichen und flexiblen Materials, das biologisch abbaubar ist, würde es ermöglichen, einen Weichkörperroboter herzustellen, der als Diagnostikwerkzeug in den Körper einzuführen ist, ohne das er wieder herausgeholt werden müsste“, erklärt David Kaplan, stellvertretender Leiter des Projekts und Professor in der Abteilung für Biomedizintechnik.

Bei der eingesetzten Zwick-Prüfmaschine handelt es sich um eine kundenspezifische biaxiale Prüfmaschine mit linearen, unabhängig gesteuerten Reglern mit einer Prüfkraft von 2kN. Die Anlage wird eingesetzt, um die grundlegenden Funktionen für die bidirektionale Reaktion von isotropen und anisotropen Materialien festzustellen. Jeder Regler ist mit einer Halterung für Zug- oder Drucklasten und einem dedizierten Kraftaufnehmer ausgestattet. Die Wegauflösung des Reglerantriebsystems beträgt 0,1µm, die Auflösung des Kraftaufnehmers ist 0,001N.

Der Zwick videoXtens Dehnungsaufnehmer, der fest am Maschinenrahmen befestigt ist, ermöglicht die kontaktfreie Dehnungsmessung von Material mit mittlerer bis hoher Verformung. Der Dehnungsaufnehmer ist ausgerüstet, um gleichzeitig axiale- und Querdehnung auf verschiedenen Kanälen aufzunehmen. Die Kameraobjektive sind austauschbar, um unterschiedliche Messfelder und eine minimale theoretische Auflösung von 0,3 µm bis 0,6 µm zu ermöglichen. Die Prüfsoftware testXpert^® II, die auf einem zentralen Rechner installiert ist, bietet den Universitäten die Möglichkeit, sowohl Prüfverfahren und –abläufe frei zu konfigurieren als auch DIN, ISO und ASTM Prüfprogramme durchzuführen. Für diverse Prüfprotokolle können kundenspezifische Probenhalter von einem Labortechniker entwickelt und an den entsprechenden Kraftaufnehmer gekoppelt werden. Ein Wasserbad zur Charakterisierung in verschiedenen Lösungen steht ebenfalls zur Verfügung.

„Die Zwick Maschine hat sich für uns in der Forschung als außerordentlich wertvoll erwiesen“, betont Professor Dormann. „Für das Verständnis und die Charakterisierung von anisotropen Material sind Versuche mit solchen spezialisierten Anlagen notwendig.“