In den letzten Jahrzehnten hat sich die Robotertechnik rasant weiterentwickelt. Ein innovativer Trend bahnt sich an, der die Verwendung von weichen Materialien in der Robotik revolutioniert. Statt auf Stahl und Aluminium setzen moderne Soft Robots auf viskoelastische Polymere, die sowohl elastische als auch viskose Eigenschaften besitzen. Diese Materialien reagieren unterschiedlich auf Krafteinwirkung, wobei das mechanische Verhalten von der Dauer und Geschwindigkeit der Belastung abhängt, wie die Universität Stuttgart mitteilt.
Viskoelastische Polymere eröffnen neue Gestaltungsmöglichkeiten für Roboter, indem sie flexibler und anpassungsfähiger werden. Bei schneller Belastung zeigen sie elastisches Verhalten, während sie bei langsameren Bewegungen eher viskose Eigenschaften entfalten. Die Entwicklung dieser Materialien geht einher mit der Notwendigkeit, strukturelle Designs auf Millimeter-Skalen zu erstellen. Forschende müssen auch die Grenze zwischen viskoelastischer Verformung und mechanischer Instabilität verstehen, um gezielt gestaltete Strukturen zu realisieren, die als mechanische Metamaterialien bekannt sind.
Die Weiche Revolution
Die Entwicklung der Soft Robots ist Teil einer größeren „weichen Revolution“, die sowohl die Robotik als auch die Elektronik betrifft. Diese neue Technologie könnte entscheidende Vorteile in der Mensch-Computer-Interaktion bieten, da Roboter, die auf weiche Materialien setzen, besser mit ihrer Umgebung und Menschen interagieren können. Der Einsatz von Materialien wie Hydrogelen, die Wasser in polymeren Netzwerken binden, ist besonders vielversprechend. Sie bieten Eigenschaften, die man aus der Natur kennt, wie etwa die Weichheit von Hirngewebe oder die Zähigkeit von Sehnen, berichtet die Johannes Kepler Universität.
Forschende wie Christoph Keplinger an der JKU arbeiten an muskel-mimetischen Aktuatoren und haben Fortschritte bei Selbstheilungsmechanismen erzielt. Diese Technologien ermöglichen die Entwicklung von künstlicher Haut, die mit Sensoren für Haptik, Temperatur und Feuchtigkeit ausgestattet ist.
Weiche Materialien im Kontext der Biomedizin
Das Potenzial weicher Materialien erstreckt sich auch auf die Biomedizin. Sie könnten in der Entwicklung von künstlichen Gliedmaßen und Organen eine Schlüsselrolle spielen, indem sie mechanische Unterstützung bieten und neue Diagnosegeräte ermöglichen. Durch die Verwendung von biomimetischen Hydrogel-basierten Elektronik- und Robotiksystemen könnten Verletzungsrisiken drastisch gesenkt werden, besonders in Katastrophenfällen.
Der European Research Council hat bereits 1,5 Millionen Euro in die Forschung zu diesen Themen investiert. Die Entwicklungen schreiten schnell voran, und das 21. Jahrhundert könnte als Zeitalter der weichen Materie in die Geschichte eingehen, wie auch das Magazin der Universität Mainz feststellt.
Akademische Ausbildung im Bereich Weiche Materialien
Um diesen Trend zu unterstützen, wurde an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Technischen Universität Darmstadt der internationale Masterstudiengang „Soft Matter and Materials“ ins Leben gerufen. Der Programmstart erfolgte im Wintersemester 2023/2024 und verfolgt einen interdisziplinären Ansatz, der Chemie, Physik, Materialwissenschaften und Mathematik integriert. Professoren wie Regine von Klitzing und Sebastian Seiffert leiten das Programm, das vollständig in Englisch unterrichtet wird, um internationale Studierende anzusprechen.
Dieser Studiengang könnte nicht nur zur Ausbildung neuer Wissenschaftler und Ingenieure beitragen, sondern auch die Kooperation mit der Industrie in der Rhein-Main-Region fördern, die aktiv an der Forschung im Bereich der weichen Materialien beteiligt ist. Damit wird die Grundlage für innovative Lösungen gelegt, die sowohl technologische als auch gesellschaftliche Herausforderungen meistern können.
