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Biologisch abbaubare Softroboter aus Braunalgen und Hydrogelen ermöglichen die Erkundung fragiler Umgebungen mit minimaler Umweltbelastung.
Mithilfe von Robotern können Wissenschaftler Orte erkunden, die für Menschen nicht zugänglich sind, etwa entfernte Planeten, winzige Spalten in archäologischen Stätten und den Meeresboden. Doch herkömmliche Roboter können zerstörerisch sein, insbesondere in Umgebungen mit empfindlichen Organismen, wie zum Beispiel Meereslebensräumen.
Forscher der Carnegie Mellon University gehen dieses Problem an Roboteraktuatoren aus biologisch abbaubarem Calciumalginat. Das Team sagt, dass diese „weichen“ Aktuatoren – die Teile des Roboters, die Bewegungen erzeugen – einen Schritt in Richtung der Entwicklung eines sanfteren, umweltfreundlicheren Meeresroboters darstellen.
Victoria Webster-Wood ist eine der Forscherinnen, die an der Studie gearbeitet haben. „Die frühen Fertigungsroboter […] Es handelte sich um riesige Metallarme, die im Wesentlichen von Käfigen umgeben waren, weil sie so gefährlich waren, dass menschliche Bediener nicht in die Nähe kommen sollten“, sagte sie. „Aber wenn man dem Roboter ‚Squish‘ hinzufügen kann, wenn man es – wir nennen es ‚Compliance‘ – hinzufügen kann, dann ist es viel sicherer.“
Weiche Roboter zur Erkundung fragiler Umgebungen
Diese Idee ist besonders wichtig für die Meeresumwelt, wo Forscher oft mit und in der Nähe von Organismen arbeiten, die leicht verletzt werden können. Webster-Wood verwendet Quallen als Beispiel. „Das ist ein sehr kleines, zerbrechliches Tier“, erklärte sie, „und wenn wir [grab] Wenn Sie es mit einem starren Roboter verwenden, könnten Sie es beschädigen. Aber der weiche Roboter ist irgendwie gepolstert.“ Laut Webster-Wood trägt das Kissen dazu bei, Schäden zu begrenzen oder zu beseitigen.
Das Team von Carnegie Mellon baute drei verschiedene Aktuatorstrukturen, darunter einen weichen Zweifingergreifer, den Teil des Roboters, der zum Greifen und Aufnehmen von Dingen in seiner Umgebung verwendet wird. „Jeder Finger ist so konzipiert, dass er einen inneren Hohlraum hat“, sagte Webster-Wood. „Wir verwenden einfach eine Spritzenpumpe, um den Druck in den Fingern zu verändern. Wenn man sie unter Druck setzt, biegen sie sich aufeinander zu. Das ist es, was diese Greifbewegung verursacht.“
Ähnliche Greifer gibt es bereits in der Soft-Robotik, die meisten bestehen jedoch aus synthetischen Materialien wie Polystyrol und Silberepoxidharz, die nicht biologisch abbaubar sind und für Meereslebewesen giftig sein können. Dies ist ein erhebliches Problem in schwer zugänglichen Meereslebensräumen, insbesondere wenn Roboter außer Gefecht gesetzt werden oder verloren gehen, sie die Umwelt verschmutzen oder zu einer Gefahr für Tiere werden, die versuchen, sie zu fressen.
Das vom Carnegie Mellon-Team entwickelte Material ist ein 3D-gedrucktes „Hydrogel“, das aus Braunalgen gewonnen wird. Die aus dem Material hergestellten Softroboter würden in Gebieten eingesetzt, in denen Braunalgen heimisch sind, sodass sie nur begrenzte Auswirkungen auf die Umwelt hätten, selbst wenn sie nach ihrem Gebrauch nicht aus der Meeresumwelt geborgen werden könnten.
Der Schneckentest
Die Aktuatoren sind biologisch abbaubar und zudem ungiftig. „Eines der wichtigsten Dinge für uns war, dass sie sicher essbar waren“, sagte Webster-Wood, die in ihrem Labor auch mit Meeresschnecken arbeitet. „[Sea slugs] Sie fressen von Natur aus Algen, deshalb haben wir den Meeresschnecken einfach Aktuatoren angeboten.“
Die Schnecken wurden insgesamt 29 Tage lang mit einer Kombinationsnahrung aus Aktoren und Algen gefüttert. „Das wird wahrscheinlich etwas seltsam“, lachte Webster-Wood. „Wir haben ihren Abfall überwacht. Der Schneckenkot. [The actuators] wurden sicher verdaut.“
Weiche Meeresroboter haben ein großes Potenzial, Wissenschaftlern dabei zu helfen, die Meeresumwelt auf möglichst schonende Weise zu erkunden, Aktuatoren sind jedoch nur ein Teil eines funktionierenden Roboters. Bevor es möglich sein wird, einen vollständig biologisch abbaubaren Roboter zu bauen, muss noch mehr Forschung betrieben werden.
Andere aktuelle Veröffentlichungen haben festgestellt, dass noch viele Herausforderungen zu bewältigen sind, bevor Soft-Marine-Roboter für alle Anwendungen praktikabel werden. Beispielsweise sind sie möglicherweise nicht robust genug, um abgelegene Gebiete in den tiefsten Teilen des Ozeans zu erkunden. Die meisten sind „tethered“, was bedeutet, dass sie nur über kurze Distanzen eingesetzt werden können. Ein ungebundener Roboter bräuchte außerdem eine eigene Stromversorgung, was die Herausforderung beim Bau einer vollständig biologisch abbaubaren und essbaren Einheit erhöht.
„Bei der Elektronik wird es etwas anspruchsvoller“, sagte Webster-Wood. Dennoch stellt sie sich eine Zukunft mit „vollständig biologisch abbaubaren Robotern aus Materialien vor, die wir anbauen können, die nachhaltig und umweltfreundlich sind“ und ist optimistisch, dass die Herausforderungen gemeistert werden können.
„Ich habe einige wirklich coole Artikel über biologisch abbaubare Elektronik gesehen“, sagte sie, „deshalb halte ich das nicht für unmöglich.“
Referenz: Victoria A. Webster-Wood et al., Biologisch abbaubare, nachhaltige Hydrogel-Aktuatoren mit Form- und Steifigkeitsveränderungsmöglichkeiten durch eingebetteten 3D-Druck, Fortgeschrittene Funktionsmaterialien (2023). DOI: 10.1002/adfm.202303659
Bilder zur Verfügung gestellt von Victoria Webster-Wood
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