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Soft Robotik Vom Tintenfisch inspiriert: Material heilt sekundenschnell

| Autor / Redakteur: Linda Behringer* / Vivien Deffner

Ein weiches Material, das sich augenblicklich selbst heilt, ist keine Fiktion mehr: Ein Team von Forschenden verändert die Nanostruktur eines neuen dehnbaren Materials so lange, bis es seine Struktur und Eigenschaften wieder voll zurückerhalten kann, nachdem es beschädigt wurde.

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Forschenden des Max-Planck-Instituts ist es gelungen, ein selbstheilendes Material zu entwickeln. Die Inspiration dafür kommt von der Haut der Tintenfische.
Forschenden des Max-Planck-Instituts ist es gelungen, ein selbstheilendes Material zu entwickeln. Die Inspiration dafür kommt von der Haut der Tintenfische.
(Bild: gemeinfrei / Unsplash)

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart und der Pennsylvania State University (PSU) in den USA haben ein weiches Material entwickelt, das sich nach einer Beschädigung innerhalb einer Sekunde selbst heilen kann. Die Moleküle bisheriger verformbarer selbstheilender Materialien brauchen mehrere Stunden oder sogar Tage, um sich wieder miteinander zu verbinden. Oft war die Festigkeit an der Stelle, an der sie durchstochen oder zerschnitten wurden, deutlich geringer.

Neues Material für Soft Robotik

Das neu entwickelte dehnbare Material stellt jedoch seine Struktur und Eigenschaften im Handumdrehen vollständig wieder her, auch nach mehrmaliger Beschädigung. Die Inspiration für das Material kam von der Haut der Tintenfische. Die Entwicklung des Materials könnte für eine Revolution auf dem Forschungsgebiet der Soft Robotik sorgen, da es jeden Schaden rückgängig machen kann. Das ermöglicht den Einsatz in verschiedenen Anwendungen, bei denen Roboter dynamischen und unvorhersehbaren Umgebungen ausgesetzt sind.

„Wir haben ein neues Material entwickelt, das viel schneller heilen kann, ohne seine Festigkeit zu verlieren. Wir haben es auf verschiedenste Weise beschädigt und jedes Mal hat es sich innerhalb von Sekunden repariert“, sagt Dr. Abdon Pena-Francesch, Erstautor der Publikation „Biosynthetic self-healing materials for soft machines“, die am 27. Juli in Nature Materials veröffentlicht wurde. Das Fachjournal ist eines der renommiertesten auf dem Forschungsgebiet der Materialwissenschaft.

Inspiration für das Material aus der Natur

Dr. Pena-Francesch und seine Co-Autoren Dr. Huihun Jung und Prof. Melik C. Demirel von der PSU und Prof. Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS, ließen sich von der Natur und den Wundern der Erde inspirieren. Sie suchten nach einer Vorlage, wie ein solch intelligentes Material gebaut werden könnte. „Unser Ziel war es, mit Hilfe der Synthetischen Biologie ein selbstheilendes, programmierbares Material zu kreieren, dessen physikalische Eigenschaften wir kontrollieren können", sagt Prof. Demirel. Das Team untersuchte daraufhin die Molekülstruktur und die Aminosäuresequenzen von Tintenfischproteinen. Darauf aufbauend entwickelten sie mit Hilfe des Protein-Engineering das flexible, gummiartige Material. „Wir veränderten die molekulare Struktur so, dass wir die Selbstheilungskräfte des Materials auf die Spitze treiben konnten“, fügt er hinzu. „Wir konnten eine 24-Stunden dauernde Heilungsphase auf eine Sekunde verkürzen. Soft-Roboter, die aus diesem Material gebaut wären, könnten sich nun sofort selbst reparieren. In der Natur dauert die Selbstheilung sehr lange. Unsere Technologie stellt damit die Natur in den Schatten.“

Selbstheilung ermöglicht neue Anwendungsgebiete in der Robotik

Ein Tintenfisch braucht länger, um zu heilen, da die Protein-Moleküle in seinen Tentakeln nur lückenhaft miteinander verwoben sind. Bei dem im Labor entwickelten Material veränderten die Wissenschaftler die Nanostruktur der Moleküle so, dass sie alle miteinander verbunden sind. „Ein Netzwerk, in dem nur wenige Punkte miteinander verbunden sind, birgt Schwachstellen. Wir aber haben alle Punkte miteinander vernetzt und das Material so verbessert“, erklärt Pena-Francesch. Hinzu kommt: während die Moleküle bisheriger flexibler Materialien permanente Verbindungen haben, die einmal getrennt nicht wieder zusammengefügt werden können, verhält es sich bei dem neuen Material anders. Jede physikalische Verbindung ist reversibel. Verbindungen, die an einer Stelle getrennt wurden, klicken wieder in die richtige Position zurück.

Die Beschädigung in dem Material (links) heilt sich von selbst und hinterlässt kaum Spuren (rechts).
Die Beschädigung in dem Material (links) heilt sich von selbst und hinterlässt kaum Spuren (rechts).
(Bild: MPI für Intelligente Systeme)

Selbstheilende weiche Materialien stoßen bei Wissenschaftlern auf zunehmendes Interesse, insbesondere in der Robotik. Dort könnte nämlich ein solch einzigartiges Material den Ausschlag dafür geben, ob Roboter im Alltag tatsächlich eingesetzt werden können. Denn wenn Roboter eines Tages Menschen in sehr dynamischen und unvorhersehbaren Umgebungen unterstützen, sollten sie aus einem weichen und biegbaren Material sein. Doch je weicher, desto schneller geht das Material kaputt. Das schränkt die Langlebigkeit und Leistung und somit die praktische Anwendung von Robotern ein. Sekundenschnelle Selbstheilungskräfte könnten dieses Manko ausgleichen. In Zukunft könnten solche Roboter in vielen Bereichen eingesetzt werden, zum Beispiel in gefährlichen Situationen wie der Erdbebenbergung. Oder das Material kommt bei Schutzkleidung zum Einsatz, beispielsweise bei Handschuhen, die sich nach einem Schnitt sofort selbst reparieren können.

Ein supramolekulares Netzwerk mit diesen Selbstheilungseigenschaften eröffnet ein großes unerforschtes Gebiet möglicher Anwendungen in der Robotik. „Selbstreparierende physikalisch intelligente weiche Materialien sind für den Bau robuster und fehlertoleranter Soft-Roboter in naher Zukunft unerlässlich", sagt Prof. Metin Sitti. Seine Vision ist es, solch selbstreparierende weiche Materialien bei der Erforschung medizinischer Soft-Roboter einzusetzen oder um Robotergreifarme noch besser zu machen. Tests dazu gab es bereits, zum Beispiel wurden verschiedene Objekte damit angehoben. Wenn ein Objekt dann beim Herumtragen den Greifarm beschädigt, könnte er sich leicht selbst heilen.

Originalpublikation

Die Publikation „Biosynthetic self-healing materials for soft machines“ erschien am 27. Juli im Fachjournal Nature Materials veröffentlicht wurde. Das Fachjournal ist eines der renommiertesten auf dem Forschungsgebiet der Materialwissenschaft.

Zur Originalpublikation

* Linda Behringer arbeitet in der Abteilung Public Relations am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.

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