de.wedoany.com-Bericht: Forscher der North Carolina State University haben, inspiriert vom Gürteltier, eine Roboter-Schutzstruktur namens „morpho-interlocking protective module (MIPM)“ entwickelt, die sich bei Erkennung einer Belastung automatisch zu einer Schutzkugel zusammenrollen kann, um interne Elektronik oder andere Nutzlasten zu schützen.
Weiche Roboter und flexible Elektronik sind im Betrieb oft empfindlich. Diese Forschung zielt darauf ab, diesen Technologien einen effektiven mechanischen Schutz zu bieten, wenn nötig, während sie gleichzeitig normal funktionieren können. Yong Zhu, korrespondierender Autor der Studie und Andrew A. Adams Distinguished Professor am Fachbereich für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der North Carolina State University, erklärte, dass das Ziel der Forschung genau darin bestehe, eine Lösung zu entwickeln, die es empfindlichen Technologien ermöglicht, normal zu arbeiten und bei Bedarf geschützt zu werden.
Jianyu Zhou, Erstautor der Studie und Postdoktorand an der North Carolina State University, wies darauf hin, dass die Struktur im entspannten Zustand recht flexibel sei, aber aktiviert werden könne, um sich zu einer starren äußeren Struktur zu krümmen. Diese Technologie könne zum Schutz verschiedener Objekte eingesetzt werden, im Grunde alles, was sie umschließen könne.
Das MIPM besteht aus drei grundlegenden Schichten. Die äußere Schicht (Exoskelett) besteht aus einer Reihe segmentierter, gebogener Schuppen aus 3D-gedrucktem Harz. Die mittlere „Sensor- und Aktuatorschicht“ enthält vier Komponenten: ein flüssigkristallines Elastomer (LCE), das sich bei Erwärmung zusammenzieht; einen elastischen Polymer-Dehnungssensor mit eingebetteten Silber-Nanodrähten; eine Schicht Polyimid-Klebeband, das sich bei Erwärmung ausdehnt; und eine dünne Schicht leitfähigen Stoffes als „Heizung“. Die innere Skelettschicht besteht aus schwerem Papier, das zu einer Reihe von Rippen gefaltet ist, die eine Reihe starrer Polymer-„Segment-Schuppen“ an Ort und Stelle halten.
Wenn der Dehnungssensor eine Berührung oder einen Stoß erkennt, sendet er ein Signal an eine Steuereinheit, die dann die Heizschicht mit Strom versorgt. Nachdem die Heizschicht erwärmt ist, zieht sich die LCE-Schicht zusammen und die Polyimid-Klebeband-Schicht dehnt sich aus, was dazu führt, dass sich die gesamte Struktur krümmt. Das MIPM rollt sich schließlich zu einem Schutzring zusammen, wobei das Exoskelett nach außen zeigt.
„Wenn sich die Schichten zu einem Kreis zusammenrollen, verriegeln die segmentierten Schuppen im inneren Skelett des MIPM miteinander und bilden ein robustes inneres ‚Skelett‘, das die Stabilität der Struktur erhöht“, sagte Zhou Jianyu.
In Proof-of-Concept-Tests funktionierte das MIPM wie erwartet; die Sensorschicht erkannte erfolgreich eine erhöhte Belastung und löste die Umwandlung in eine Schutzhülle aus. Die Forschung ergab auch, dass eine Erhöhung der Anzahl segmentierter Schuppen im inneren Skelett die innere Steifigkeit und Festigkeit der Struktur deutlich verbessert. Zhu Yong erklärte, dass durch mechanisch gesteuertes Design ein Gleichgewicht zwischen der Segmentierung des inneren Skeletts und der Gewichtsreduzierung der Struktur hergestellt wurde; beispielsweise könnten 10 segmentierte Schuppen einer Kraft von etwa 10 Newton standhalten.
Die Studie mit dem Titel „Armadillo-Inspired Active Morphing Skeletons for Soft Machines“ wurde am 27. Mai in der Open-Access-Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Zu den Co-Autoren der Studie gehören die Postdoktoranden Weixin Zhou und die Doktoranden Seol‐Yee (Jennifer) Lee und Ali Akbari von der North Carolina State University sowie der ehemalige Doktorand der North Carolina State University, Shuang Wu, jetzt Assistenzprofessor für Maschinenbau am Florida Institute of Technology.
Die Forschungsarbeit wurde durch Zuschüsse der National Science Foundation (Fördernummer 2134664) und des Department of Defense (Fördernummer W81XWH-21-1-0185) unterstützt.
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