Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben einen weichen Aktuator für feinmotorische Roboter auf Basis eines Hydrogels entwickelt. Das weiche Material lässt sich in kurzer Zeit kontrolliert verkleinern und wieder vergrössern und könnte so zum Beispiel Bewegungsaufgaben in der Softrobotik übernehmen.
Hydrogele, wie sie beispielsweise in Kontaktlinsen eingesetzt werden, sind extrem elastisch. Sie bestehen fast komplett aus Wasser und ihre mechanischen Eigenschaften ähneln dem menschlichen Körpergewebe. Sogenannte responsive Hydrogele, die die Kieler Forscher einsetzen, können sich als Reaktion auf ihre Umwelt um bis zu 90 Prozent verkleinern.
"Unsere Hydrogele sind thermoresponsiv, das heisst, sie reagieren auf Wärme. Ab einer Temperatur von 32 Grad Celsius geben sie Wasser ab und verringern so ihr Volumen", sagt CAU-Materialwissenschaftlerin Margarethe Hauck. Sinke die Temperatur, nehme das Hydrogel das Wasser wieder auf und kehre dann zu seinem ursprünglichen Volumen zurück.
Der Prozess lässt sich den Experten nach beliebig oft wiederholen. "Im Grunde haben diese Hydrogele das Potenzial, wie ein menschlicher Muskel zu funktionieren", so Hauck. Doch bislang dauerte der Prozess der Volumenänderung noch mehrere Wochen - viel zu langsam für die meisten praktischen Anwendungen. Die Kieler Forscher haben ihn entscheidend beschleunigt.
Die Wissenschaftler haben in ihr Hydrogel ein Netzwerk aus winzigen Röhren integriert. "Damit lässt sich das Material deutlich schneller als bisher verkleinern und vergrössern, ohne an Stabilität zu verlieren, im Gegenteil: Es kann sogar eine bis zu 4.000 Prozent höhere Kraft ausüben", ergänzt Lena Saure, Doktorandin am Lehrstuhl Funktionale Nanomaterialen.
"Unser Ansatz folgt dem Vorbild der Natur. Pflanzen und Tiere besitzen vernetzte, hierarchisch aufgebaute Kanalsysteme für einen effektiven Stoff- und Flüssigkeitstransport, wie das Kapillarsystem im Menschen. Nach diesem Prinzip können wir auch die Eigenschaften von weichen Materialien verbessern", erklärt CAU-Entwicklungsleiter Fabian Schütt.
Durch die zahlreichen, miteinander verbundenen Röhren von wenigen Mikrometern Durchmesser kann das Wasser ungehindert in das Hydrogel hinein- und wieder herausfliessen und ermöglicht so eine schnelle Änderung des Volumens. Eine extrem dünne Graphenbeschichtung macht die Röhren ausserdem elektrisch leitfähig. So können die Forscher das Hydrogel mit elektrischem Strom erwärmen und den Wassertransport auf Knopfdruck steuern.
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