Forschende der Universität Stuttgart entwickeln biomimetische Mikrospiralen, die das 30-fache ihres eigenen Gewichts bewegen können

de.wedoany.com-Bericht: Das Team um Dr. Zaklina Burghard vom Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart hat eine Fertigungsplattform entwickelt, die ultradünne Funktionsfolien innerhalb von Sekunden in programmierbare dreidimensionale Keramik-Mikrospiralen umwandelt, die als kompakte Antriebselemente für zukünftige Mikroroboter und Softroboter dienen. Diese Arbeit geht auf Burghards langjährige Forschung an biomimetischen Keramik-Materialsystemen zurück.

Mikroroboter haben ein extrem kleines Volumen und besitzen Anwendungspotenzial in der Medizin und Industrie; Softroboter hingegen sind auf flexible, anpassungsfähige Materialien angewiesen, um ihre Anpassungsfähigkeit und Sicherheit zu erhöhen. Wie bei makroskopischen Robotern müssen auch in diesen beiden Systemtypen Aktuatoren Bewegungen steuern oder Gegenstände greifen, doch die Gesamtabmessungen der Mikrosysteme sind wesentlich kleiner, und Softroboter müssen zudem elastisch verformbar sein, was völlig neue Anforderungen an die Komponenten stellt, die oft nur mit neuartigen Materialien erfüllt werden können.

Das Forschungsteam ließ sich von der Aufroll- und Entfaltungsbewegung des Schmetterlingsrüssels inspirieren und stellte ultradünne Vanadiumpentoxid-Folien her, die magnetische Eisenoxid-Nanopartikel enthalten. Bei der Herstellung lösten die Forschenden die ultradünnen Keramikfolien mit einer Klinge vorsichtig vom Substrat; die Klinge bog die abgelöste Folie kontinuierlich, sodass sie sich innerhalb von Sekunden zu eng gewickelten Mikrospiralen aufrollte. Nähert man einen Magneten der Mikrospirale, entfaltet sie sich schnell; wird das Magnetfeld entfernt, rollt sie sich wieder auf.

Im Gegensatz zu herkömmlicher Keramik sind diese ultradünnen Folien flexibel. Ihr einzigartiges mechanisches Verhalten beruht auf biologisch inspirierten hierarchischen Nano- und Mikrostrukturen, die elastische Verformung ermöglichen und gleichzeitig die strukturelle Integrität des Keramikmaterials bewahren. Die hergestellten Mikrospiralen sind nur wenige Mikrometer breit, haben im aufgewickelten Zustand einen Durchmesser von nur wenigen hundert Mikrometern und können sich auf eine Länge von bis zu 25 Millimetern entfalten. In Experimenten funktionierten die Mikrospiralen nach 5000 Zyklen weiterhin einwandfrei und konnten Objekte bewegen, die mehr als das 30-fache ihres eigenen Gewichts wogen.

Burghard erläuterte, dass die Mikrospiralen auch zu programmierbaren Arrays angeordnet werden können, sodass mehrere Aktuatoren gleichzeitig arbeiten und koordinierte Aufgaben wie das Anheben, den Transport oder die Manipulation winziger Objekte ausführen können. Vanadiumpentoxid wurde als Modellmaterial gewählt, weil es seit Jahren im Mittelpunkt von Burghards Forschung steht und die Grundlage für die Fertigungsplattform bildet.

Burghard betonte, dass der Aktuator nur der Anfang sei – die eigentliche Innovation liege in der Aufrollplattform selbst, die auf viele verschiedene organische und anorganische Folienmaterialien übertragbar sei und voraussichtlich in zukünftigen elektronischen Bauelementen, Sensoren, Energiespeichern und anderen multifunktionalen Mikrosystemen Anwendung finden könne.

Diese Arbeit geht auf ein von Burghard geleitetes, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördertes Projekt zurück. Die erste experimentelle Untersuchung wurde in der Masterarbeit von Semi Kim aus dem Jahr 2023 durchgeführt und legte das Fundament für die aktuelle Forschung. Die Forschung fand in der Abteilung für biomimetische Materialien des Instituts für Materialwissenschaft statt, die die Natur als Inspirationsquelle mit der modernen Materialwissenschaft verbindet und Physik, Chemie, computergestützte Modellierung sowie biomimetische Materialdesignprinzipien integriert, um die nächste Generation funktionaler Materialien und programmierbarer Mikrosysteme zu entwickeln.