Diese Formwandler schmelzen und bilden sich dank Magnetfeldern neu

Wissenschaftler entwickeln seit Jahren magnetisch gesteuerte Softroboter. Die meisten vorhandenen Materialien für diese Bots bestehen entweder aus dehnbaren, aber festen Materialien, die nicht durch die engsten Räume passen, oder aus magnetischen Flüssigkeiten, die flüssig sind, aber keine schweren Gegenstände tragen können (SN: 18.07.19).

In der neuen Studie kombinierten die Forscher beide Ansätze, nachdem sie sich von der Natur inspirieren ließen (SN: 3.3.21). Seegurken zum Beispiel „können ihre Steifigkeit sehr schnell und reversibel ändern“, sagt der Maschinenbauingenieur Carmel Majidi von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. „Die Herausforderung für uns als Ingenieure besteht darin, dies in den weichen Materialsystemen nachzuahmen.“

Also wandte sich das Team Gallium zu, einem Metall, das bei etwa 30 Grad Celsius schmilzt – etwas über Raumtemperatur. Anstatt eine Heizung mit einem Stück Metall zu verbinden, um seinen Zustand zu ändern, setzen die Forscher es einem sich schnell ändernden Magnetfeld aus, um es zu verflüssigen. Das magnetische Wechselfeld erzeugt im Gallium Strom, wodurch es sich erhitzt und schmilzt. Das Material verfestigt sich wieder, wenn es auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wird.

Da magnetische Partikel über das Gallium verteilt sind, kann ein Permanentmagnet es herumziehen. In fester Form kann ein Magnet das Material mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 Metern pro Sekunde bewegen. Das aufgewertete Gallium kann auch das etwa 10.000-fache seines Gewichts tragen.

Externe Magnete können die flüssige Form immer noch manipulieren und sie dehnen, teilen und verschmelzen lassen. Die Steuerung der Bewegung der Flüssigkeit ist jedoch schwieriger, da die Partikel im Gallium frei rotieren können und infolge des Schmelzens nicht ausgerichtete Magnetpole haben. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausrichtungen bewegen sich die Partikel als Reaktion auf einen Magneten in unterschiedliche Richtungen.

Majidi und Kollegen testeten ihre Strategie in winzigen Maschinen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllten. In einer Demonstration direkt aus dem Film Terminator 2entkam eine Spielzeugperson einer Gefängniszelle, indem sie durch die Stäbe schmolz und sich in ihrer ursprünglichen Form wieder verfestigte, indem sie eine Form direkt außerhalb der Stäbe verwendete.

Auf der praktischeren Seite entfernte eine Maschine eine kleine Kugel aus einem menschlichen Modellmagen, indem sie leicht schmolz, um sich um den Fremdkörper zu wickeln, bevor sie das Organ verließ. Aber Gallium allein würde in einem echten menschlichen Körper zu Schmiere werden, da das Metall bei Körpertemperatur von etwa 37 °C flüssig ist. In biomedizinischen Anwendungen würden dem Gallium einige weitere Metalle wie Wismut und Zinn zugesetzt werden um den Schmelzpunkt des Materials zu erhöhen, sagen die Autoren. In einer anderen Demonstration wurde das Material verflüssigt und wieder ausgehärtet, um eine Leiterplatte zu löten.

Obwohl dieses Phasenverschiebungsmaterial ein großer Schritt auf diesem Gebiet ist, bleiben Fragen zu seinen biomedizinischen Anwendungen offen, sagt der biomedizinische Ingenieur Amir Jafari von der University of North Texas in Denton, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Eine große Herausforderung, sagt er, ist die präzise Steuerung der magnetischen Kräfte im menschlichen Körper, die von einem externen Gerät erzeugt werden.

„Es ist ein überzeugendes Werkzeug“, sagt Robotik-Ingenieur Nicholas Bira von der Harvard University, der ebenfalls nicht an der Studie beteiligt war. Aber, fügt er hinzu, Wissenschaftler, die sich mit weicher Robotik befassen, entwickeln ständig neue Materialien.

„Die wahre Innovation der Zukunft liegt in der Kombination dieser verschiedenen innovativen Materialien.“