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Faszination Technik Forschende entwickeln smarte Bausteine für formverändernde Geräte

Quelle: MIT 3 min Lesedauer

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: smarte Metamaterialien, die den Bau formveränderlicher Konstruktionen mit integrierter Sensorik ermöglichen.

Ein Ausschnitt der Vielfalt an Konfigurationen, die die Bifur-Schaltungen bilden können.(Bild: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher)
Ein Ausschnitt der Vielfalt an Konfigurationen, die die Bifur-Schaltungen bilden können.
(Bild: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher)

Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein neues System aus modularen Komponenten entwickelt, die sogenannten „Bifur-Circuits“. Diese 3D-gedruckten, interaktiven Bausteine aus mechanischen Metamaterialien lassen sich zu wandelbaren Strukturen zusammensetzen. Der Clou dabei: Egal wie stark die Baugruppe gedreht, gedrückt oder verformt wird, die elektrischen Verbindungen im Inneren bleiben durchgängig intakt.

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Dadurch können diese Bauteile ohne externe Verkabelung selbstständig erfassen, in welcher geometrischen Konfiguration sie sich gerade befinden. Um eine möglichst große Formenvielfalt zu erreichen, machen sich die Forscher das Prinzip der mechanischen Bifurkation zunutze. Das ist jener physikalische Kipppunkt, der beispielsweise auftritt, wenn ein gebogenes Plastiklineal bei Überschreiten einer bestimmten Kraft plötzlich einknickt (Beulen/Knicken). Durch das Verbinden und Verdrehen der Blöcke entstehen so neue, stabile Zustände und einzigartige Stromkreise, über die die Einheiten miteinander kommunizieren.

Konstruktions- und Simulationstool vereinfacht Entwicklung

Für Entwickler interessant: Das MIT-Team hat eigens ein Konstruktions- und Simulationstool entwickelt, das den Designprozess vereinfacht und direkt die Anweisungen für einen Multimaterial-3D-Drucker generiert. Die Bauteile werden samt integriertem, flexiblem Leitmaterial in einem einzigen Durchgang gefertigt. Zudem bewiesen sie in Tests eine hohe Dauerfestigkeit: Auch nach über 10.000 Verformungszyklen zeigte die elektrische Leitfähigkeit keinerlei Verschlechterung.

Die Technik hinter den Bifur-Circuits

Wie funktionieren die Formwandler im Detail und welche Hürden mussten bei der Entwicklung überwunden werden?  

  • Auxetische Kinematik:
    Die Basis der Bifur-Circuits bilden sogenannte auxetische Metamaterialien. Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkstoffen besitzen diese eine negative Querkontraktionszahl – das bedeutet, sie werden breiter, wenn man sie dehnt, anstatt sich einzuschnüren. Das MIT nutzte dieses Prinzip bereits früher für rekonfigurierbare Antennen, allerdings waren diese auf nur drei feste Zustände limitiert.

  • Exponentielle Vielfalt durch Bifurkation:
    Um mehr Zustände zu erreichen, integrierten die Forscher das Prinzip der mechanischen Bifurkation (Verzweigung). In der Mechanik beschreibt dies eine plötzliche Verhaltensänderung eines Systems, wenn eine äußere Kraft einen kritischen Schwellenwert überschreitet (vergleichbar mit dem plötzlichen Einknicken oder Beulen eines gebogenen Lineals). In den Bifur-Circuits tritt diese Bifurkation auf, wenn verbundene Blöcke um einen definierten Drehpunkt rotiert werden. Das Hinzufügen nur einer einzigen weiteren Einheit zu einer Struktur vervielfacht die Anzahl der potenziellen und mechanisch stabilen Konfigurationen exponentiell.

  • Die Material-Herausforderung:
    Die größte Hürde für die Entwickler war der Zielkonflikt bei der Materialwahl. Das leitfähige Material musste extrem biegeschlaff sein, um die komplexen Verformungen und Gelenkbewegungen mitzumachen, musste aber gleichzeitig eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit bieten, um die Sensorsignale zwischen den Blöcken fehlerfrei zu übertragen. Das Leitmaterial diktierte maßgeblich, wie die Sensorik zwischen den Blöcken geometrisch angeordnet werden konnte.

  • Zukunftsvision Aktorik:
    Entwickelt wurde das System von Forschern des MIT Computer Science and Artificial Intelligence Lab (CSAIL) in Zusammenarbeit mit den Universitäten Tokio und Michigan. Der nächste Schritt auf der Roadmap der Entwickler: Die Metamaterialien sollen nicht nur passiv ihre Form erkennen, sondern strukturell so stabilisiert werden, dass sie zukünftig auch aktiv angetrieben (aktuiert) werden können.

Großes Potenzial auch für industrielle Anwendungen

Das Potenzial für die Praxis ist groß. Als Prototypen bauten die Forscher bereits wandlungsfähige Möbel und adaptive Controller. Im industriellen Umfeld reichen denkbare Anwendungen von formveränderlichen Greifern für die modulare Soft-Robotik bis hin zu anpassungsfähigen Antennen, die ihre Geometrie und Frequenz bei wechselnden Umweltbedingungen automatisch korrigieren.

Wenn wir uns mechanische Metamaterialien als Bausteine vorstellen, ist unsere Arbeit ein Weg, deren Geometrie zu nutzen, um intrinsische Intelligenz direkt in die Hardware einzubetten.

Hauptautorin Marwa AlAlawi

Mehr Infos dazu finden Sie hier. 

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(Bild: VCG)

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