Mikrorollen als Plattform für neue Robotikantriebe

Mikroroboter sind extrem kleine Robotersysteme mit potenziellen Anwendungen unter anderem in Medizin und Industrie. Parallel dazu entwickelt sich die Softrobotik, bei der flexible Materialien Roboter anpassungsfähiger und sicherer machen sollen. Wie in der makroskopischen Robotik müssen auch hier Aktuatoren Bewegungen ausführen oder Greifer steuern. Die Anforderungen unterscheiden sich jedoch erheblich. Komponenten für die Mikrorobotik müssen besonders klein sein, während sie sich in der Softrobotik elastisch verformen lassen müssen. Solche Eigenschaften lassen sich häufig nur mit neuen Materialien realisieren.

An diesem Punkt setzt ein Forschungsteam um Dr. Zaklina Burghard, Gruppenleiterin am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart, an. Gemeinsam mit Forschenden des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung wurden winzige Mikrorollen entwickelt, die sich mithilfe eines Magneten kontrolliert ab- und aufrollen lassen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Advanced Materials erschienen.

„Mikro- und Softrobotik benötigen Antriebselemente, damit robotische Systeme greifen oder sich bewegen können“, sagt Burghard. „Wir haben nicht nur ein Material entwickelt, das sich dafür eignet, sondern eine Technologieplattform, um dünne funktionale Schichten innerhalb von Sekunden in dreidimensionale Mikrorollen zu verwandeln. Diese Mikrorollen dienen dann als Antriebselement.“

Schmetterlingsrüssel dient als technisches Vorbild

Die Technologieplattform baut auf einer langjährigen Forschungslinie Burghards zu bioinspirierten keramischen Materialsystemen auf. Als Vorbild für die Mikrorollen diente die Rollbewegung des Saugrüssels von Schmetterlingen sowie dessen kompakte Schneckenform im aufgerollten Zustand.

Die Forschenden entwickelten dafür dünne Keramikschichten aus Vanadiumpentoxid. In das Material integrierten sie magnetische Nanopartikel eines Eisenoxids. Anschließend werden die dünnen Schichten durch einen mechanischen Prozess in dreidimensionale Mikrorollen verwandelt.

Eine feine Rasierklinge löst die Schichten kontrolliert von ihrem Träger. Ähnlich wie bei einem Hobel biegt die Klinge die Schicht dabei kontinuierlich. Innerhalb weniger Sekunden wickelt sich das Material zu einer Mikrorolle auf. Wird ein Magnet an die aufgerollte Schicht herangeführt, entrollt sie sich ebenfalls innerhalb weniger Sekunden wieder.

Die Muskeln der nächsten Robotergeneration

Der Markt für humanoide Roboter steht vor dem Übergang in die industrielle Skalierung. Der IDTechEx-Report „Materials for Humanoid Robots 2026–2036“ zeigt, warum Aktuatoren, Leichtbau und neue Werkstoffe zu Schlüsselfaktoren für Leistung und Wirtschaftlichkeit werden.

Redaktion Automation NEXT

Konventionelle Keramiken gelten als spröde. Bei den dünnen Keramikschichten der Forschenden ist das anders: Sie sind elastisch. Möglich wird diese Eigenschaft durch das bioinspirierte Design der keramischen Nano- und Mikrostruktur. Die hierarchische Architektur soll dem Material eine hohe Flexibilität verleihen, ohne dass es seine Stabilität verliert. Vanadiumpentoxid kam dabei zum Einsatz, weil das Material seit vielen Jahren einen Schwerpunkt der Forschungsarbeiten von Burghard bildet und damit die Grundlage für die Entwicklung der Technologieplattform bot.

Mikrorollen bewegen mehr als das 30-Fache ihres Gewichts

Die hergestellten Mikrorollen sind nur wenige Mikrometer breit. Im aufgewickelten Zustand erreichen sie Durchmesser von einigen hundert Mikrometern. Vollständig abgerollt können sie dagegen bis zu 25 mm lang sein. In Experimenten erwiesen sich die Mikrorollen als widerstandsfähig. Auch nach 5.000 Zyklen funktionierten sie den Angaben zufolge noch. Gleichzeitig können die keramischen Mikrorollen mehr als das 30-Fache ihres eigenen Gewichts bewegen.

Dabei muss eine Rolle nicht allein arbeiten. „Wir können die Mikrorollen auch flächig als programmierbare Matrix anordnen. Dann arbeiten mehrere Rollen simultan und koordiniert zusammen, um zum Beispiel das Anheben, Verschieben oder Bearbeiten eines Mikroobjekts möglich zu machen“, sagt Burghard.

Was macht die Mikrorollen zur Technologieplattform?

Die Forschenden betrachten den Einsatz als Antriebselement nicht als Endpunkt der Entwicklung. Entscheidend ist aus ihrer Sicht vielmehr die zugrunde liegende Plattform, mit der sich funktionale dünne Schichten in programmierbare dreidimensionale Strukturen überführen lassen.

„Der Antrieb ist für mich nur der Anfang“, sagt Burghard. „Die eigentliche Innovation ist die Technologieplattform. Wir wollen mit ihr künftig sowohl organische als auch anorganische magnetisch steuerbare Mikrorollen aus dünnen Schichten herstellen.“

Neben der Robotik könnten solche programmierbaren Mikrosysteme laut Mitteilung auch für Elektronik, Sensorik, Energiespeicher und weitere multifunktionelle Mikrosysteme für verschiedene Anwendungsfälle interessant sein.

Von der Masterarbeit zur Mikrorollen-Plattform

Die Forschungsarbeiten an den Mikrorollen starteten im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts unter Leitung von Burghard. 2023 entstand in diesem Umfeld die Masterarbeit von Semi Kim. Deren experimentelle Ergebnisse bildeten die Grundlage der nun veröffentlichten Studie. Anschließend entwickelte das Forschungsteam den Ansatz umfassend weiter. Die Arbeiten sind in der Abteilung „Bioinspirierte Materialien“ des Instituts für Materialwissenschaften angesiedelt. Dort werden Ansätze aus der Natur mit moderner Materialwissenschaft verbunden.

„In unserer Abteilung verbinden wir Natur als Inspirationsquelle mit moderner Materialwissenschaft. Unsere Studierenden lernen, wie auf Basis physikalischer und chemischer Grundlagen durch Materialdesign, Fertigung und computergestützte Modellierung neuartige funktionelle Materialsysteme entstehen. Genau dieser interdisziplinäre Ansatz spiegelt sich auch in unserer Forschung wider. Unsere Arbeit verbindet bioinspirierte Konzepte, keramische Nanomaterialien, magnetische Funktionalität, Mechanik und Fertigung zu einer neuen Plattform für programmierbare Mikrosysteme“, so Burghard.