Robotik
‘Sticky Metal’ könnte weit verbreitete Anwendungen in Robotik, Energiespeicherung und sogar Biotech-Lösungen haben
Securities.io zu deinen bevorzugten Quellen auf Google hinzufügen
Sticky Metal für weiche Robotik
Ein Problem, an dem die Entwicklung in der Robotik immer wieder scheitert, ist die Entwicklung von Robotern und Systemen, die mit der realen Welt umgehen können. Dies erfordert häufig Flexibilität und „weiche“ Teile, anstatt rein mechanischer Konstruktionen.
Verschiedene Ansätze werden ausprobiert. Insbesondere haben wir bereits über einen berichtet: die Herstellung eines neuen magnetischen Materials zur Schaffung sogenannter „weicher Robotik“, die wir in unserem Artikel “Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine” ausführlich diskutiert haben.
Ein anderer Ansatz wäre jedoch, metallische und weiche Teile miteinander zu verbinden. Historisch war dies schwierig, wobei metallorganische Verbindungen das Hauptproblem darstellen.
Dieses Problem könnte von den Forschern Wenhao Xu, Faraz A. Burni und Srinivasa R. Raghavan von der University of Maryland, USA, gelöst worden sein. Sie entwickelten eine Art „sticky metal“, das in der Lage ist, eine starke und dauerhafte Verbindung mit den meisten weichen Materialien wie Hydrogel, Muskeln und Pflanzen herzustellen.
Wie Sticky Metal funktioniert
Die Entdeckung beruht auf einem neuen Prinzip, das die Forscher harte–weiche Elektroadhäsion (EA) nannten.
Sie versuchen noch, vollständig zu erklären, wie es funktioniert, aber hier ist, was sie bereits wissen.
Nur einige Metalle zeigen EA-Eigenschaften
Nicht alle Metalle können für EA verwendet werden. Metalle, die ein positives Reduktionspotential besitzen, während diejenigen, die es nicht tun, ein negatives Reduktionspotential haben.
Metalle, die nicht haften, sind solche, die zuerst an der Anode oxidiert werden. Diese Oxidation (Elektrolyse) des Metalls dominiert über alle konkurrierenden Prozesse, was erklärt, warum keine Haftung entsteht.
Umgekehrt sind Metalle, die haften, relativ inert, sodass die Polymerketten des Gelnetzwerks zuerst an der Anode oxidiert werden können.
Dies schließt gängige Metalle wie Titan, Zink, Eisen und Nickel aus, was erklären könnte, warum EA erst jetzt entdeckt wurde. Dennoch umfasst es weiterhin verbreitete und günstige Metalle wie Zinn, Blei, Kupfer sowie Graphit (das kein Metall, sondern reiner Kohlenstoff ist). Daher ist dies zwar eine Einschränkung, sollte jedoch kein Hindernis für den Einsatz in robotischen Anwendungen darstellen.
Wie funktioniert es?
EA entsteht, wenn ein Strom an das Metall angelegt wird.
Die Theorie besagt, dass die Oxidation des weichen Materials (Gel oder anderes) chemische Bindungen zwischen dem Metall und den Polymerketten erzeugt. Diese chemischen Bindungen schaffen eine starke Verbindung zwischen dem Metall und dem weichen Material, was zu starker Haftung führt.
Der Vorgang kann auch leicht umgekehrt werden, indem ein Gegenstrom angelegt wird. Dadurch entstehen reduktive chemische Bedingungen, die die chemische Bindung „auflösen“ und die Haftung aufheben.
Diese Theorie wird durch Experimente gestützt, die zeigten, dass jede Veränderung am Hydrogel ausschließlich an der Kontaktfläche zum Metall auftritt.
Es scheint zudem, dass die genaue Art und die Eigenschaften der chemischen Bindung je nach den jeweiligen Chemien des Metalls und des weichen Materials variieren.
Worauf kann Sticky Metal kleben?
Das veröffentlichte wissenschaftliche Papier konzentriert sich hauptsächlich auf die Haftung an verschiedenen Arten von Hydrogelen, da diese ein gutes Material zum Modifizieren und Experimentieren darstellen.
Die Prinzipien können jedoch auf zahlreiche andere Materialien angewendet werden, einschließlich tierischer Muskeln oder sogar Tomaten. Grundsätzlich muss das weiche Material lediglich ein ionischer Leiter sein, was für fast alle biologischen Gewebe zutrifft.
Ebenso beeindruckend ist, dass EA auch unter Wasser auftreten kann, wo Haftung sehr schwer zu erreichen ist.
Mögliche Anwendungen von Sticky Metals
Robotergreifer
Die erste und wahrscheinlich unmittelbarste Anwendung von EA ist die Entwicklung besserer Greifer für Roboter. Das sichere Greifen von Gegenständen, ohne sie fallen zu lassen oder zu einer Paste zu zerdrücken, war ein anhaltendes Problem für Roboter.
EA erfordert nicht, dass ein Roboterfinger über Finger, Hände, Gelenke oder andere komplexe & spezifische Formen verfügt. Dies könnte also den Weg für günstigere, effizientere und sicherere Alternativen zu den derzeit verwendeten Methoden ebnen.
Quelle: Corteva
Batterien
Effiziente und leicht herstellbare Batterien sind aufgrund von Elektrofahrzeugen und dem Wachstum erneuerbarer Energien im Energiemix stark nachgefragt. Die meisten Batterien beruhen darauf, zwei harte metallische (oder Graphit-) Festanoden und -kathoden mit einem Elektrolyten dazwischen zu verbinden.
Sehr häufig ist der Elektrolyt ein Gel in einem ionenleitenden Lösungsmittel.
Daher testeten die Forscher der University of Maryland, ob sie EA nutzen können, um eine neue Art von Batterie zu erzeugen.
Sie verwendeten Kupfer und Zink als Elektroden und schafften es, eine 0,9 V‑Batterie zu erzeugen.
Dies war lediglich ein Machbarkeitsnachweis von Nicht‑Batteriespezialisten. Sie glauben jedoch, dass flexible und wiederaufladbare Batterien mit denselben Prinzipien hergestellt werden könnten. Und es könnte den Weg für ein neues Batteriefertigungsverfahren ebnen.
Weiche Robotik
Wie bereits erwähnt, träumen Robotik‑Ingenieure seit Langem von Robotern, die harte und weiche Komponenten kombinieren und damit nachahmen, wie Tiere sowohl harte Knochen als auch weiche Muskeln & Gewebe besitzen.
Ein einfacher Test wurde durchgeführt, um zu veranschaulichen, wie EA für diesen Zweck genutzt werden kann. Dafür wurde eine Mischung aus harten Komponenten (Graphitplatten) und weichen Komponenten (Hydrogel) verwendet, um eine „tragende Hart‑Weich‑Struktur“ zu erzeugen.
Bei zunehmender Belastung trug die Struktur zunächst die Last und begann dann zu biegen. Als das Gewicht entfernt wurde, zogen sich die Gelpfeiler wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurück, sodass die obere Platte nach oben bewegte.
Harte Elemente allein sind weder komprimierbar noch verformbar, während weiche Elemente allein durch eine Last zerquetscht werden könnten. Die Kombination hingegen kann eine Last flexibel tragen, ohne Schaden zu nehmen.
Durch die Fähigkeit, zu komprimieren und „zurückzustoßen“, könnte ein solches System zur Herstellung von Aktuatoren und Robotern verwendet werden, die in der Lage sind, auf empfindliche Weise mit ihrer Umgebung zu interagieren.
Unterwasserklebstoff
Das Verkleben von Gegenständen in einer wasserreichen Umgebung oder unter Wasser kann eine technische Herausforderung darstellen. Die Klebebindungen werden häufig von den umgebenden Wassermolekülen beeinflusst und sind in den meisten Fällen schwächer als nötig.
Hier ist die Haftung ein elektrochemisches Phänomen, das nur aktiviert wird, wenn das Gel und das Metall unter Stromkontakt stehen. Da EA auf einer tatsächlichen chemischen Bindung beruht, wird es nicht von dem umgebenden Wasser beeinflusst.
Prothesen und Implantate
Eine weitere potenzielle Anwendung von Sticky Metal liegt im biomedizinischen Bereich. Die Verträglichkeit von Metall mit dem menschlichen Körper war schon immer ein Problem bei der Verwendung von Metallimplantaten. Das Verbinden des Metalls mit weichem Gewebe, ohne dieses zu beschädigen, ist ein schwieriger Prozess.
Wenn Implantate oder Prothesen wie Gliedmaßenersatz an weichem Gewebe haften könnten, würden sie deutlich funktionaler und praktischer in der Anwendung werden. Sie könnten zudem die Lebensqualität der Patienten erheblich verbessern.
Bild von RAEng_Publications von Pixabay
Und da der Prozess durch Anlegen eines elektrischen Stroms leicht reversibel ist, werden klebrige Implantate voraussichtlich ebenfalls deutlich einfacher zu ersetzen oder zu entfernen sein.
Fortgeschrittene Anwendung von Sticky Metal
Harte‑weiche Elektroadhäsion oder EA ist eine bemerkenswerte Entdeckung mit vielen möglichen Anwendungen.
Sie funktioniert nicht nur mit praktisch allen ionischen Gelen und organischen Geweben (fast alles, was Wasser und Salze enthält), sondern kann auch mit günstigen Grundmetallen wie Zinn, Kupfer und sogar Graphit verwendet werden. Dank dieser kostengünstigen Materialien hat jede industrielle Anwendung die Chance, preislich konkurrenzfähig zu sein.
Sie könnte das Feld der Robotik vollständig verändern, beginnend mit besseren Greifern, insbesondere für Lebensmittel wie Fleisch, Obst und Gemüse. Anschließend würde sie die Schaffung echter weicher Roboter ermöglichen, die harte und weiche/elastische Teile kombinieren.
Sie könnte zudem viel einfachere Verbindungen zu Körperprothesen und Implantaten ermöglichen und uns einen Schritt näher an echte kybernetische Technologie bringen.
Schließlich könnte sie Anwendungen über die Robotik und Prothetik hinaus haben, möglicherweise neue Batterietypen sowie Unterwasser‑ & reversible Klebstoffe schaffen.
