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Mikrorobotik und Softrobotik stoßen mit konventionellen Antriebskonzepten an physikalische Grenzen. Klassische Motoren sind zu groß, zu starr oder zu schwer. Forscher der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung haben einen Aktuator vorgestellt, der diese Einschränkungen umgeht: eine flexible Keramikrolle, gesteuert durch ein Magnetfeld, abgerollt nach dem Vorbild eines Schmetterlingsrüssels.
Bionisches Prinzip, keramisches Material
Der Schmetterlingsrüssel rollt sich in Sekundenbruchteilen auf und wieder ab. Dieses Bewegungsprinzip haben die Forscher auf ein technisches Material übertragen. Sie fertigten dünne Schichten aus Vanadiumpentoxid, einem Keramikwerkstoff, und lagerten magnetische Nanopartikel eines Eisenoxids ein.
Das Ergebnis widerspricht einer verbreiteten Annahme: Das Material ist trotz seiner keramischen Natur flexibel und elastisch. Die Nano- und Mikrostruktur verhindert sprödes Versagen. Die Forschungsgruppe ist in der Abteilung Bioinspirierte Materialien des Instituts für Materialwissenschaften der Universität Stuttgart angesiedelt.
Herstellung und Funktionsprinzip
Die Fertigung der Aktuatoren folgt einem mechanisch einfachen Verfahren. Eine feine Rasierklinge löst die keramische Schicht vom Trägersubstrat. Die dabei entstehende Biegespannung rollt die Schicht innerhalb von Sekundenbruchteilen zu einer dreidimensionalen Rolle auf.
Der Antrieb erfolgt berührungslos. Ein Magnet in der Nähe der aufgerollten Schicht löst das Entrollen aus. Wird das Magnetfeld entfernt, rollt sich die Schicht wieder zusammen. Kabel, Hydraulik und mechanische Verbindungen sind nicht nötig.
Leistungsdaten im Überblick
Aufgewickelt erreichen die Rollen einen Durchmesser von wenigen hundert Mikrometern. Abgerollt messen sie bis zu 25 Millimeter in der Länge. Trotz dieser Miniaturmaße können die Bauteile mehr als das 30-Fache ihres Eigengewichts bewegen.
Zur Dauerfestigkeit liegen konkrete Messwerte vor: Die Rollen funktionieren nach 5.000 Schaltzyklen noch einwandfrei. Für Anwendungen, die häufige Betätigungen erfordern, ist das ein relevanter Wert.
Einsatz als programmierbare Matrix
Einzelne Mikrorollen lassen sich flächig zu einer Matrix anordnen. Mehrere Einheiten arbeiten dann koordiniert. Damit lassen sich Mikroobjekte anheben, verschieben oder bearbeiten. Das eröffnet Anwendungen in der Medizintechnik, der Halbleiterfertigung und der Laborautomatisierung.
Die Technologieplattform ist nicht auf Keramik beschränkt. Die Forscher um Dr. Zaklina Burghard wollen das Verfahren auf organische und weitere anorganische Schichten ausweiten. Neben Antriebselementen sieht das Team Potenzial für Sensorik und Energiespeicher.
Fazit
Für Konstrukteure und Entwickler in der Automatisierungstechnik ist dieser Ansatz der Aufmerksamkeit wert. Ein verschleißfreier, magnetisch steuerbarer Aktuator im Mikrometermaßstab, der das 30-Fache seines Gewichts bewegt und 5.000 Zyklen standhält, löst ein bekanntes Problem: den Antrieb dort, wo kein Platz für konventionelle Motoren bleibt. Bis zur industriellen Serienreife ist es noch ein weiter Weg. Die Grundlagenforschung hat jedoch belastbare Kennwerte geliefert, auf denen Produktentwickler aufbauen können.
