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Aug 02, 2023

Ein Polyamid

Feature vom 24. Juli 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und dabei den Inhalt sichergestellt

Feature vom 24. Juli 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

In den letzten Jahrzehnten haben Robotiker immer ausgefeiltere Roboter entwickelt, die von der Natur und lebenden Organismen inspiriert sind. Durch die realistische Nachahmung biologischer Prozesse und Verhaltensweisen von Tieren können diese Roboter häufig durch verschiedene Umgebungen navigieren und reale Probleme auf äußerst effektive Weise angehen.

Ein Forschungsteam am Indian Institute of Technology Indore und am Indian Institute of Technology Jodhpur hat kürzlich einen neuen bioinspirierten Roboter entwickelt, der wie eine Qualle aussieht und sich bewegt. Dieser im International Journal of Intelligent Robots and Applications vorgestellte Roboter könnte zur Fernüberwachung von Meereslebewesen oder zur Durchführung anderer Missionen unter Wasser eingesetzt werden.

„Es wurde ein neuartiger flexibler weicher Quallenroboter auf Polyimidbasis hergestellt, der durch eine Formgedächtnislegierung (SMA) angetrieben wird, und der Puls- und Erholungsprozess der Qualle wurde nachgeahmt“, schrieben Muralidharan, Saini und ihre Kollegen in ihrer Arbeit. „Die bestehende Technik zur Herstellung von in SMA-Draht eingebetteten Tentakeln ist ein zeitaufwändiger und menschenermüdender Prozess. Die vorgeschlagene Struktur ist neuartig, kosteneffektiv und einfach herzustellen, wobei der Zeitaufwand im Vergleich zu herkömmlichen formbasierten Methoden sehr viel geringer ist.“

Um ihren Roboter zu entwickeln, schnitten Muralidharan, Saini und ihre Kollegen zunächst 75 μm dicke Platten aus Kapton-Polyamid (also einem Band auf Polyamidbasis) in eine symmetrische Struktur, die dem Körper einer Qualle mit einem Durchmesser von 25 cm ähnelt. Anschließend stanzten sie an bestimmten Stellen Löcher in diese Struktur, in die sie später SMA-Drähte einführen würden.

SMAs sind Metalle mit der interessanten Eigenschaft, nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Für ihren Roboter verwendeten die Forscher eine SMA namens Nitinol, die üblicherweise zur Herstellung von Geräten, Kabelverbindern und anderen elektronischen Komponenten verwendet wird.

Nitinol wurde in die zuvor in die quallenartige Struktur gestanzten Löcher eingebracht und ein zusätzliches Stück Polyamidband wurde oben auf den Körper des Roboters geklebt, um den Draht zu fixieren. Anschließend verbanden die Forscher das Ende jedes Tentakels mit Gummischnüren mit der Körpermitte des Roboters.

„Das Verhalten der vorgeschlagenen Quallenstruktur wurde mit unterschiedlichen SMA-Drahtdurchmessern und -frequenzen untersucht“, schrieben Muralidharan, Saini und ihre Kollegen in ihrer Arbeit. „Die Verschiebung und Geschwindigkeit der Quallententakel während der Nachahmung wurden gemessen. Die Temperaturmodellierung der in SMA eingebetteten Struktur und die Durchbiegungsmodellierung unter Verwendung der Strahlbiegetheorie wurden durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine vorläufige Simulation der Quallennachahmung in Ansys Fluent und des Schubs durchgeführt Kraft wurde ausgewertet.“

Der von Quallen inspirierte Roboter, den dieses Forscherteam entwickelt hat, ist weich, flexibel und sehr leicht und wiegt nur 45 g. Es basiert außerdem auf erschwinglichen, leicht zu beschaffenden Materialien und könnte problemlos in größerem Maßstab hergestellt werden. In ersten Tests schnitt ein Prototyp des Roboters bemerkenswert gut ab und schwamm horizontal mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s und vertikal mit 0,2 mm/s.

In Zukunft könnte dieser neue Roboter weiter verbessert, auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten und kommerzialisiert werden. Dies könnte dazu beitragen, zahlreiche reale Probleme effizient anzugehen, die die Navigation und/oder Überwachung von Unterwasserumgebungen erfordern.

„Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode erfolgreich zur Nachahmung der Fortbewegung von Quallen angewendet und auf Unterwasseranwendungen ausgeweitet werden kann“, schreiben die Forscher. „Der erste Prototyp wurde mit einem integrierten Kameramodul und einem Sonarsensor für Objekterkennungsanwendungen mit einer wasserdichten PDMS-Glockenstruktur entwickelt.“

Mehr Informationen: M. Muralidharan et al., Bio-inspirierter weicher Quallenroboter: eine neuartige Struktur auf Polyimidbasis, die durch eine Formgedächtnislegierung betätigt wird, International Journal of Intelligent Robotics and Applications (2023). DOI: 10.1007/s41315-023-00291-1

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