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Jul 16, 2023

Diese formen

Diese Lego-ähnliche Figur entkam dank eines neuen Terminator-2-Stils aus dem Gefängnis

Diese Lego-ähnliche Figur entkam im Stil von Terminator 2 dem Gefängnis dank einer neuen Zusammensetzung aus Gallium und magnetischen Partikeln, die sich in Gegenwart eines sich ändernden Magnetfelds verflüssigt und sich unter der Führung eines Permanentmagneten bewegt.

Q. Wang et al/Matter 2023 (CC BY-SA)

Von McKenzie Prillaman

25. Januar 2023 um 11:55 Uhr

Formverändernde Flüssigmetallroboter sind möglicherweise nicht mehr auf Science-Fiction beschränkt.

Miniaturmaschinen können von fest zu flüssig und wieder zurück wechseln, um sich in enge Räume zu quetschen und Aufgaben wie das Löten einer Leiterplatte auszuführen, berichten Forscher vom 25. Januar in Matter.

Diese phasenverschiebende Eigenschaft, die mit einem Magnetfeld ferngesteuert werden kann, ist dem Metall Gallium zu verdanken. Forscher eingebetteten magnetische Partikel in das Metall, um die Bewegungen des Metalls mit Magneten zu steuern. Dieses neue Material könnte Wissenschaftlern dabei helfen, weiche, flexible Roboter zu entwickeln, die sich durch enge Passagen bewegen und von außen geführt werden können.

Wissenschaftler entwickeln seit Jahren magnetisch gesteuerte Softroboter. Die meisten existierenden Materialien für diese Bots bestehen entweder aus dehnbaren, aber festen Materialien, die nicht durch die engsten Räume passen, oder aus magnetischen Flüssigkeiten, die flüssig sind, aber keine schweren Gegenstände tragen können (SN: 18.07.19).

In der neuen Studie kombinierten die Forscher beide Ansätze, nachdem sie sich von der Natur inspirieren ließen (SN: 03.03.21). Seegurken beispielsweise „können ihre Steifheit sehr schnell und reversibel ändern“, sagt Maschinenbauingenieurin Carmel Majidi von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. „Die Herausforderung für uns als Ingenieure besteht darin, dies in den weichen Materialsystemen nachzuahmen.“

Also wandte sich das Team Gallium zu, einem Metall, das bei etwa 30° Celsius schmilzt – etwas über Raumtemperatur. Anstatt eine Heizung an ein Stück Metall anzuschließen, um seinen Zustand zu ändern, setzen die Forscher es einem sich schnell ändernden Magnetfeld aus, um es zu verflüssigen. Das magnetische Wechselfeld erzeugt Elektrizität im Gallium, wodurch es sich erhitzt und schmilzt. Beim Abkühlen auf Raumtemperatur verfestigt sich das Material wieder.

Da im gesamten Gallium magnetische Partikel verstreut sind, kann ein Permanentmagnet es herumziehen. In fester Form kann ein Magnet das Material mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 Metern pro Sekunde bewegen. Das veredelte Gallium kann außerdem etwa das 10.000-fache seines Gewichts tragen.

Externe Magnete können die flüssige Form immer noch manipulieren, indem sie sie ausdehnen, spalten und verschmelzen lassen. Die Steuerung der Flüssigkeitsbewegung ist jedoch schwieriger, da die Partikel im Gallium frei rotieren können und aufgrund des Schmelzens nicht ausgerichtete Magnetpole aufweisen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausrichtung bewegen sich die Partikel als Reaktion auf einen Magneten in unterschiedliche Richtungen.

Majidi und Kollegen testeten ihre Strategie in winzigen Maschinen, die verschiedene Aufgaben erledigten. In einer Demonstration direkt aus dem Film „Terminator 2“ entkam ein Spielzeugmensch einer Gefängniszelle, indem er durch die Gitterstäbe schmolz und mithilfe einer direkt außerhalb der Gitterstäbe platzierten Form in seiner ursprünglichen Form wieder erstarrte.

Auf der praktischeren Seite entfernte eine Maschine durch leichtes Schmelzen eine kleine Kugel aus einem menschlichen Modellmagen, um sich um den Fremdkörper zu wickeln, bevor sie das Organ verließ. Aber Gallium allein würde im Inneren eines echten menschlichen Körpers zu klebrigem Material werden, da das Metall bei Körpertemperatur von etwa 37 °C flüssig ist. Bei biomedizinischen Anwendungen würden dem Gallium noch einige weitere Metalle wie Wismut und Zinn zugesetzt um den Schmelzpunkt des Materials zu erhöhen, sagen die Autoren. In einer anderen Demonstration verflüssigte sich das Material und härtete wieder aus, um eine Leiterplatte zu löten.

Obwohl dieses Phasenverschiebungsmaterial einen großen Fortschritt auf diesem Gebiet darstellt, bleiben Fragen zu seinen biomedizinischen Anwendungen bestehen, sagt der biomedizinische Ingenieur Amir Jafari von der University of North Texas in Denton, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Eine große Herausforderung sei es, sagt er, die magnetischen Kräfte im menschlichen Körper, die von einem externen Gerät erzeugt werden, präzise zu kontrollieren.

„Es ist ein überzeugendes Werkzeug“, sagt der Robotikingenieur Nicholas Bira von der Harvard University, der ebenfalls nicht an der Studie beteiligt war. Er fügt jedoch hinzu, dass Wissenschaftler, die sich mit Soft-Robotik befassen, ständig neue Materialien entwickeln.

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„Die wahre Innovation liegt in der Kombination dieser verschiedenen innovativen Materialien.“

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Eine Version dieses Artikels erscheint in der Science News-Ausgabe vom 25. Februar 2023.

Q. Wang et al. Magnetoaktive Flüssig-Fest-Phasenübergangsmaterie. Gegenstand. Online veröffentlicht am 25. Januar 2023. doi: 10.1016/j.matt.2022.12.003

McKenzie Prillaman ist Praktikantin für wissenschaftliches Schreiben im Frühjahr 2023 bei Science News. Sie hat einen Bachelor-Abschluss in Neurowissenschaften mit Nebenfach Bioethik von der University of Virginia und einen Master-Abschluss in Wissenschaftskommunikation von der University of California, Santa Cruz.

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