Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um weiche Materialien im Millimeterbereich herzustellen. Wegbereiter für flexible Mikroroboter für medizinische Eingriffe und andere schwer zugängliche Umgebungen.
Das Forscherteam, bestehend aus Mitgliedern des Wyss-Instituts für biologisch inspirierte Technik in Harvard, der Hochschule für Technik und angewandte Wissenschaften (SEAS) in Harvard John A. Paulson und der Universität Boston, schuf eine Roboter-Softspinne, um ihre Technologie zu demonstrieren.
Ihre Arbeit wird in veröffentlicht das Tagebuch Fortgeschrittene Werkstoffe.
Das neue Kind auf dem Block
Hollywoods Science-Fiction-Filme haben uns möglicherweise erfolgreich davon überzeugt, dass eines Tages Roboter über uns herrschen werden. Zumindest im Moment helfen Roboter jedoch Menschen in Klassenzimmern, Fabriken und sogar Operationssälen.
In jüngster Zeit verspricht die weiche Robotik, deren Innen- und Außenseite aus weichen Materialien bestehen, mehr Flexibilität bei der Arbeit in sich ändernden oder unstrukturierten Umgebungen, als dies mit den herkömmlichen, starren Robotern nicht möglich wäre.
Aufgrund seiner inhärenten Compliance können weiche Roboter für Chirurgen von großem Nutzen sein. Während zentimetergroße weiche Roboter entwickelt wurden, müssen sie nicht nur kleiner werden, sondern auch mehrere Funktionen erfüllen, um sicher durch empfindliches Gewebe im menschlichen Körper zu navigieren.
"Die kleinsten Soft-Robot-Systeme sind in der Regel immer noch sehr einfach und haben normalerweise nur einen Freiheitsgrad. Dies bedeutet, dass sie nur eine bestimmte Änderung der Form oder der Art der Bewegung auslösen können. “Mitautor Sheila Russo, der als Postdoktorand an der Gründung des Projekts mitgewirkt hat Robert Woods Gruppe am Wyss Institute und SEAS, und ist jetzt ein Assistenzprofessor an der Boston University, sagte in einer Erklärung.
Holz ist der Charles River Professor für Ingenieurwissenschaften und Angewandte Wissenschaften an der Harvard John A. Paulson School für Ingenieurwissenschaften und Angewandte Wissenschaften an der SEAS, Gründungsmitglied der Kernfakultät des Wyss Institute und Gründer des Harvard Microbiotics Lab.
Inspiriert von einer millimetergroßen australischen Pfauspinne entwickelten die Forscher ein neues Herstellungsverfahren, um Roboter im Millimeterbereich mit mehreren Funktionen zu konstruieren.
"Die Idee, einen weichen Roboter zu entwerfen und herzustellen, der von winzigen Spinnentieren inspiriert ist, beruht auf der Tatsache, dass er eine große Anzahl ungelöster Herausforderungen in der weichen Robotik verkörpert. “ Tommaso Ranzanider Erstautor und der korrespondierende Autor, der begann das Studium als Postdoktorand in Woods Gruppe und ist jetzt auch Assistenzprofessor an der Boston University.
„Sie ist weniger als einen Zentimeter breit, hat mikrometergenaue Merkmale, eine klar definierte dreidimensionale Struktur und eine große Anzahl von unabhängig voneinander steuerbaren Freiheitsgraden. Darüber hinaus zeichnet es sich durch schöne Farbmuster aus. “
Aus drei mach eins
Das neue Herstellungsverfahren, genannt MORPH (Microfluidic Origami for Reconfigurable Pneumatic / Hydraulic) kombiniert drei bestehende Herstellungstechniken: Softlithographie, Lasermikrobearbeitung und injektionsinduzierte Selbstfaltung.
Um das Außenmaterial des Roboters zu erzeugen, verwendeten die Forscher zunächst eine weiche Lithografietechnik, um 12-Schichten aus Silizium zu erzeugen.
„Dieses erste MORPH-System wurde in einem einzigen, monolithischen Prozess hergestellt, der in wenigen Tagen durchgeführt werden kann und bei der Optimierung des Designs problemlos durchlaufen werden kann“, sagte Ranzani in einer Erklärung.
Dann verwendeten sie eine Lasermikrobearbeitung, um jede Siliziumschicht präzise zu schneiden und mit der darunter liegenden zu verbinden, um die raue 3D-Struktur der Spinne zu erzeugen.
Für die Integration verwendeten die Forscher eine injektionsinduzierte Selbstfaltungsmethode hohle mikrofluidische Kanäle mit Aktuatoren in jede Schicht und injizieren diese Kanäle mit einem UV-härtbaren Harz, das als Flüssigkeit injiziert wird und sich verfestigt, wenn es UV-Licht ausgesetzt wird.
Wenn sich das Harz verfestigt und dann in den Kanälen wieder flüssig wird, kann sich der Roboter von 2D zu 3D und umgekehrt falten und entfalten.
„Diese Technik wird als injektionsinduzierte Selbstfaltung bezeichnet“, so Russo sagte in einer Erklärung.
„Kirigami und Origami inspirieren uns, weil wir die Struktur in die gewünschte Form schneiden und dann falten und sie dann neu konfigurieren können. Wenn Sie an Origami-Künstler denken, können sie aus Papier einen Schwan machen, aber dann könnten Sie diesen Schwan nehmen und wieder entfalten oder auf andere Weise falten und ein anderes Tier haben. “
Aktuatoren an Bauch, Kopf, Kiefern und Beinen machen diesen Roboter zu einem multifunktionalen Roboter mit neun unabhängig voneinander steuerbaren Freiheitsgraden und fünf strukturellen Freiheitsgraden.
„Durch die Entwicklung einer neuen Hybridtechnologie, die drei verschiedene Herstellungstechniken kombiniert, haben wir eine weiche Roboterspinne aus Silikonkautschuk mit 18-Freiheitsgraden geschaffen, die Änderungen in Struktur, Bewegung und Farbe sowie winzige Merkmale im Mikrometerbereich umfasst. Sagte Russo in einer Erklärung.
Schließlich füllten die Forscher die Kanäle mit gefärbtem Wasser, um die extravaganten Farbmuster einer Pfauspinne nachzuahmen.
Bildnachweis: Wyss Institute an der Harvard University
Türen öffnen
Ranzani glaubt, dass dieses neue Herstellungsverfahren es weichen Robotern ermöglichen wird, hochgradig unstrukturierte und komplexe Umgebungen für verschiedene Anwendungen zu erkunden, von der sicheren und empfindlichen Manipulation von Geweben im menschlichen Körper bis zur Suche und Rettung in gefährlichen Bereichen.
"Wir hoffen, dass diese Technik zur Entwicklung einer neuen Klasse von weichen chirurgischen Geräten beiträgt, die fortgeschrittene chirurgische Aufgaben ausführen können “, sagte er in einer Erklärung.
