Das Roboter-Rezept

Je näher uns Roboter kommen, umso weicher und angenehmer müssen ihre Oberflächen werden. An der JKU wurde deswegen ein besonderes Material
entwickelt: ein Biogel, das ohne fossile Kunststoffe auskommt. Und, wenn man es nicht mehr braucht, sogar biologisch abbaubar ist. Die Zutaten dafür
könnten aus einer Küche kommen.

Von Alois Pumhösel

Die hier zu sehende elektronische Haut, auch e-skin genannt, ist mit drei Sensoren bestückt: einem Dehnungs-, Feuchte- und Temperatursensor. Mit dieser Technologie können Krankenhausaufenthalte durch ein externes Monitoring verkürzt werden.

Künftige Robotergenerationen werden ganz anders arbeiten als jene, die heute in Fabrikshallen blitzschnell Fahrzeugbauteile montieren oder Elektronik verlöten. Sie werden aus ihren Drahtgitter- und Plexiglasboxen herauskommen, in die sie – zur Sicherheit der Menschen in ihrer Umgebung – gesperrt werden. Sie werden beginnen, mit den Menschen zusammenzuarbeiten, ihnen im richtigen Moment ein Werkzeug in die Hand drücken oder ihnen bei der Montage schwerer Metallbauteile assistieren. Sie werden in der Landwirtschaft auftauchen und dort beim Bestellen und Ernten der Felder oder beim Verarbeiten der Früchte helfen. In Geschäften und an Hotelrezeptionen werden sie eine Rolle spielen und Kund*innen und Gäste mit individuellen Informationen versorgen. Und sie werden vermehrt in den Wohnzimmern anzutreffen sein, die Menschen dort unterstützen, unterhalten oder einfach dafür sorgen, dass sie sich nicht so allein fühlen. Natürlich werden diese Roboter anders aussehen als die Werkzeugarmee der heutigen Industrieanlagen. Mit den neuen Funktionen verändert sich ihr Äußeres. Immer dort, wo sie mit Menschen in Kontakt kommen, werden sie vorsichtig und weich sein, so dass sie niemanden verletzen können – und „weich“ meint hier tatsächlich, dass sie aus einem Material bestehen, das bei Kontakt nachgibt; dass ihre Oberfläche elastisch, flexibel und dehnbar ist. Natürlich sind sie gleichzeitig mit umfassender Sensorik ausgestattet, die jede Berührung, jede Annäherung sofort registriert, um passend darauf reagieren zu können. Bei der Entwicklung dieser flexiblen Elektronik und Robotik wird heute zumeist auf Silikon-Elastomere zurückgegriffen – ein Kunststoff fossilen Ursprungs mit sehr guten elastischen Eigenschaften. Das bedeutet auch: Wenn künftig die flexible Robotik einmal so omnipräsent ist wie heute Smartphones, wird auch der Berg an Plastikabfällen noch einmal kräftig wachsen. Deshalb stellt sich die Frage: Wo sind die biologisch abbaubaren Alternativen?

Zutaten, die man auch in einer Küche finden würde

Die Antwort: In einem Labor am LIT Soft Materials Lab der JKU Linz. Melanie Baumgartner und Florian Hartmann arbeiten im Zuge ihres Doktorats am Institut für Experimentalphysik der JKU an einem Biogel, das in seinen Eigenschaften dem Pendant aus dem fossilen Kunststoff in puncto Dehnbarkeit und Flexibilität ähnelt. Die Materialien, die sie dafür benötigen, würde man aber, wie sie sagen, „in jeder gut ausgestatteten Küche“ finden. Die Erfindung der Linzer Forscher*innen weist bisher unerreichte Charakteristika auf. „Wir konnten zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften unseres Biogels um ein Vielfaches länger erhalten bleiben als bei vergleichbaren Ansätzen“, betont Baumgartner. „Das Material bleibt dehnbar und trocknet nicht aus, obwohl es zu einem guten Teil aus Wasser besteht.“ Ihre Entwicklung konnten die Physiker*innen heuer im renommierten Fachblatt „Nature Materials“ vorstellen.

Begonnen hat alles im Jahr 2009, als Baumgartner auf der Suche nach einem Diplomarbeitsthema war. Sie nahm sich eines Fachbereichs an, der damals noch als exotisch galt und mäßig beliebt war: der biologisch abbaubaren Elektronik. Ein Resultat der Arbeit war ein aufsehenerregender erster „essbarer“ Transistor aus Biomaterialien. Nach einer Forschungspause, die der Familiengründung geschuldet war, kehrte Baumgartner 2015 für ihr Doktorat an die JKU zurück. Soft Robotics und Electronic Skins waren inzwischen zu großen Themen in den Materialwissenschaften geworden. Sie wurden für die Physikerin zur logischen Weiterentwicklung ihrer Expertise. 2017 stieß ihr Kollege Florian Hartmann dazu, um an Optimierungen und konkreten Anwendungen des Biogels zu arbeiten.

Die Zusammensetzung der Entwicklung klingt tatsächlich nach einem Rezept aus der Küche: Da ist Gelatine, die dem Material die elastische Struktur verleiht, Glukosesirup, der Dehnbarkeit und Stabilität erhöht, Glyzerin, das die Austrocknung verhindert, und Zitronensäure, die mit ihrer antibakteriellen Wirkung für Haltbarkeit sorgt. Um daraus eine elastische Roboterhülle zu schaffen, braucht es neben der richtigen Mischung auch einen auf die gewünschten Eigenschaften hin optimierten Herstellungsprozess. „Alle Inhaltsstoffe haben Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften“, erklärt Hartmann. „Wir haben die Effekte in unzähligen Experimenten systematisch untersucht, um eine Balance mit jeweils der besten Wirkung der Stoffe im Gesamtverbund zu finden.“ Das Herstellungsverfahren selbst besteht aus einer Abfolge von Auflösungs-, Erwärmungs- und Abkühlungsprozessen – mit dem Vorteil, dass keine aufwendige chemische Synthese notwendig ist.

Nach 300.000 Bewegungen immer noch formstabil

Das nun präsentierte Material ist auf seine vierfache Länge dehnbar, was für Anwendungen in der Softrobotik mehr als ausreicht. Gleichzeitig ist es stabil genug, um auch nach 300.000 zyklischen Bewegungen seine Form beizubehalten – das ist sage und schreibe 10.000 Mal öfter, als bei bisherigen Pendants belegt war. Als thermoplastisches Material ist es zudem bei höheren Temperaturen aufschmelzbar. „Das bedeutet, dass man es per Laserstrahl auftrennen, aber auch wieder ,zusammenschweißen‘ kann“, betont Hartmann. „In Versuchen konnten wir auf diese Art die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften wieder komplett herstellen.“ Die beiden Wissenschaftler*innen hoffen, dass die Erfindung in der Industrie aufgegriffen wird. Die Vorteile liegen auf der Hand: Fertigungsverfahren und Materialcharakteristika lassen die Produktion kostengünstig ausfallen. Die Charakteristika wären im Zuge einer industriellen Optimierung sogar noch verbesserbar. Und punkto Ökologie erscheint das Biogel unschlagbar. Die Fertigung aus „Küchenmaterialien“ bedeutet nämlich auch, dass es bedenkenlos in jedem Gartenkompost entsorgt werden kann. Auch in Wasser löst sich das Gel nach mehreren Tagen auf.

Eine der Eigenschaften des Biogels macht die Medizin zu einem naheliegenden Einsatzbereich: Leicht befeuchtet haftet es gut an menschlicher Haut. Gemeinsam mit eingebetteter Elektronik eröffnet das zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten im mobilen Monitoring von Gesundheitsdaten. „Von der Überwachung der Körpertemperatur bis zum 24-Stunden-EKG sind viele Applikationen denkbar“, sagt Baumgartner. „Das Biogel passt sich an die Körperform an, ist weich, kaum spürbar und dehnt sich bei Bewegungen mit. Und nach Ende der Nutzung kann es einfach entsorgt werden.“ Als Einmalanwendung könnte es in vielen Bereichen mit hohen Hygieneanforderungen zum Einsatz kommen, auch abseits der Medizin.

Baumgartner denkt etwa auch an Ernterobotik in der Landwirtschaft, wobei das flexible Material empfindliche Feldfrüchte von den Pflanzen abziehen kann, ohne sie zu beschädigen. In der Forschung seien selbst Roboter in Tierform denkbar, die, geformt aus dem Biogel, Daten aufnehmen, während sie mit anderen Tieren interagieren – oder sogar während sie von ihnen gefressen werden. Einen Vorgeschmack auf die künftigen Möglichkeiten gibt ein Prototyp, den die Physiker* innen selbst gestaltet haben. „Wir haben einen elefantenartigen Rüssel aus dem Gel geformt, der – ohne feste Struktur – allein durch das Einblasen von Luft gesteuert wird“, skizziert Baumgartner. Ähnliche Konstruktionen könnten künftig zu Greifarmen oder Kamerahaltungen werden. Sie könnten Teil von Robotern werden, die Menschen bei Rehabilitationen unterstützen oder als Kinderspielzeug dienen. Letztendlich hat das Material das Potenzial, eine ganz neue Klasse von Robotern zu prägen – und ihnen neue Erscheinungsformen und Funktionalitäten zu geben.  

NEWS 12.03.2021

Wissen

Erschienen in Ausgabe 1/2021