Faszination Technik Vom Schmetterlingsrüssel zum High-Tech-Aktuator

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie smarte Keramik-Rollen die Mikrorobotik antreiben.

Neue Robotersysteme stellen Konstrukteure vor paradoxe Herausforderungen: In der Mikrorobotik ist schlicht kein Platz für klassische Motoren, und in der Softrobotik müssen alle Komponenten – auch die Aktuatoren – elastisch verformbar sein. Klassische Bauteile stoßen hier an ihre Grenzen. Gefragt sind smarte Materialien, die Antriebs- und Strukturfunktion in einem vereinen.

Ein interdisziplinäres Team um Dr. Zaklina Burghard (Universität Stuttgart) und Forschende des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung hat nun eine verblüffende Lösung vorgestellt. Als Vorbild diente die Natur – genauer gesagt: der Schmetterling.

Bionik trifft auf unkonventionelle Keramik

Wer schon einmal einen Schmetterling beobachtet hat, kennt die elegante, kompakte Schneckenform seines Saugrüssels, der sich bei Bedarf schnell ab- und wieder aufrollt. Genau diese Bewegung adaptierten die Materialwissenschaftler für ihre Technik.

Dafür entwickelten sie dünne Keramikschichten aus Vanadiumpentoxid und lagerten magnetische Nanopartikel eines Eisenoxids ein. Der Clou: Entgegen der landläufigen Meinung, Keramik sei zwingend spröde, ist dieses bioinspirierte Nano- und Mikrostruktur-Material extrem flexibel und elastisch, ohne an Stabilität einzubüßen.

Definition – Teil 1

Was ist eigentlich Bionik?

Der Klingen-Trick und die magnetische Steuerung

Die Herstellung der Aktuatoren ist ein faszinierender mechanischer Prozess: Mit einer feinen Rasierklinge – die ähnlich wie ein Hobel fungiert – werden die keramischen Schichten vom Träger gelöst. Durch die Biegung beim Ablösen wickelt sich die Schicht innerhalb von Sekundenbruchteilen zu einer dreidimensionalen Mikrorolle auf.

Der eigentliche Antriebseffekt entsteht durch Magnetismus: Nähert sich ein Magnet der aufgerollten Schicht, entrollt sie sich blitzschnell wieder. Nimmt man das Magnetfeld weg, rollt sie sich wieder zusammen. Ein verschleißfreier, berührungsloser Aktuator ist geboren.

Leistungsdaten, die Konstrukteure aufhorchen lassen:

• Dimensionen: Aufgewickelt messen die Rollen nur wenige hundert Mikrometer im Durchmesser. Abgerollt erreichen sie eine beachtliche Länge von bis zu 25 mm.
• Kraftpaket: Die winzigen Bauteile können mehr als das 30-Fache ihres eigenen Gewichts bewegen.
• Dauerfestigkeit: Im Experiment überstanden die Rollen selbst nach 5.000 Zyklen ihre Aufgabe noch tadellos.
• Skalierbarkeit: Die Mikrorollen lassen sich als programmierbare Matrix flächig anordnen. Mehrere Rollen arbeiten dann koordiniert zusammen, um Mikroobjekte anzuheben, zu verschieben oder zu bearbeiten.

Definition – Teil 2

Was ist eigentlich Bionik?

Mehr als nur ein Antrieb

Für Dr. Zaklina Burghard ist dieser Aktorik-Durchbruch erst der Anfang. Die zugrundeliegende Technologieplattform, die funktionale Schichten in Sekundenschnelle in 3D-Strukturen verwandelt, soll künftig für organische wie anorganische Schichten genutzt werden.

Neben smarten Greifern und Antrieben für die Robotik der Zukunft eröffnen sich damit völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten für Elektronik, Sensorik und Energiespeicher. Ein perfektes Beispiel dafür, wie der Blick in die Natur zu ingenieurtechnischen Höchstleistungen anspornt.

(Basierend auf Forschungsergebnissen der Universität Stuttgart / Institut für Materialwissenschaften, publiziert in "Advanced Materials")