3D-Druck: Forscher erstellen magnetische Origami-Muskeln für Medizin-Roboter

Ein Wissenschaftsteam der North Carolina State University (NC State) hat einen hauchdünnen magnetischen Film im 3D-Druckverfahren hergestellt, der auf Origami-Strukturen aufgebracht werden kann. Der dadurch entstehende Aktuator kann durch ein äußeres Magnetfeld angesteuert werden und Medikamente durch Roboter gezielt im menschlichen Körper abgeben.

Der magnetische Dünnfilm besteht aus einem gummiartigen Elastomer, in den ferromagnetische Partikel eingebracht sind. Erstellt haben die Forscher der NC State diesen mithilfe eines 3D-Druckers, wie sie in der Studie „3D-Printed Soft Magnetoactive Origami Actuators“ schreiben, die in Advanced Fuctional Materials erschienen ist. Die Folie brachten die Forscher auf verschiedene Stellen einer Struktur auf, die mit der japanischen Falt- und Schneidekunst Origami erstellt worden ist, um einen winzigen Roboteraktuator zu erhalten.

„Herkömmliche magnetische Aktuatoren verwenden kleine starre Magnete, wie man sie beispielsweise an Kühlschränken findet. Diese Magnete werden auf die Oberfläche des weichen Roboters aufgebracht und versetzen ihn in Bewegung“, erklärt Xiaomeng Fang, Assistenzprofessorin am Wilson College of Textiles und Mitautorin der Studie. „Mit dieser Technik können wir eine dünne Folie drucken, die wir direkt auf die wichtigen Teile des Origami-Roboters aufbringen können, ohne dessen Oberfläche wesentlich zu verkleinern“, sagt sie.

Die Nutzung eines dünnen Magnetfilms statt starrer Magnete hat noch einen weiteren Vorteil: Das Gewicht des Aktuators fällt dadurch deutlich geringer aus. Die Forscher stießen jedoch auf ein Problem: Die Anzahl der eingebrachten magnetischen Partikel reichte zunächst nicht aus, um einen weichen Roboter über ein externes Magnetfeld ausreichend gut ansteuern zu können. Die Forscher erhöhten daraufhin die Konzentration der Partikel, um eine höhere Magnetkraft zu erreichen. Das führte jedoch dazu, dass sich das Flüssiggummi schwarz verfärbte und das beim 3D-Druck zum Aushärten des Elastomers verwendete UV-Licht zu stark absorbierte. Das Gummi konnte so nicht richtig aushärten. Die Wissenschaftler begegneten dem Problem, indem sie eine Heizplatte ergänzten, die das UV-Licht verstärkte und eine bessere Aushärtung während des Druckprozesses ermöglichte.

Roboter mit magnetischen Origami-Muskeln

Die Forscher verwendeten bei ihrem Medizin-Roboter für den Origami-Muskel eine Miura-Ori-Faltung. Diese Technik ermöglicht es, eine große flache Oberfläche durch Faltung in eine Struktur mit einer viel kleineren Oberfläche zu überführen. Der Magnetfilm wurde dabei so aufgebracht, dass sich die Origami-Struktur öffnet, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird. Der Roboter kann so Medikamente zu Geschwüren in einem menschlichen Körper bringen und dort gezielt und konzentriert abgeben.

Die Wissenschaftler testeten den Roboter in einem künstlichen Magen, einer Kunststoffkugel, die mit warmem Wasser gefüllt war. Der Roboter wurde durch das Magnetfeld an die Stelle eines künstlichen Geschwürs manövriert. Über extern angebrachte weichmagnetische Folien fixierten die Forscher dann die Position des Roboters. Danach wurde er magnetisch geöffnet, sodass das Medikament freigegeben wurde. Durch die Fixierung des Roboters kann das Medikament über einen längeren Zeitraum kontrolliert an der benötigten Stelle abgegeben werden.

Die Forscher entwickelten einen weiteren Roboter, der ebenfalls auf der Miura-Ori-Falttechnik basiert. Er kann über ein externes Magnetfeld zum Kriechen gebracht werden. Bei einem angelegten Magnetfeld zieht sich der Roboter zusammen. Wird das Magnetfeld gestoppt, entspannt sich der Roboter wieder. Dadurch entsteht eine schrittartige Bewegung. Der Roboter kann so Hindernisse von bis zu 7 mm Höhe überwinden. Die Geschwindigkeit und die Anpassung an unterschiedliche Geländeformationen erfolgen über das angelegte Magnetfeld.

„Es gibt viele verschiedene Arten von Origami-Strukturen, mit denen diese Muskeln arbeiten können, und sie können zur Lösung von Problemen in Bereichen von der Biomedizin bis zur Weltraumforschung beitragen“, sagt Fang. „Es wird spannend sein, weitere Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie zu erforschen.“

(olb)