13:00 19 Juni 2018
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    Der Schaltkreis der Zukunft heilt sich selbst: Bahnbrechende Entwicklung in der Robotik

    Der Schaltkreis der Zukunft heilt sich selbst: Bahnbrechende Entwicklung in Robotik

    © Foto : Carnegie Mellon University College of Engineering
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    Valentin Raskatov
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    Kaputte Leitungen machen so manches technische Gerät unbrauchbar. Umso besser, dass ein Forscherteam einen Stromkreis vorgestellt hat, der sich selbst heilt.

    Weiche Roboter sind im Kommen. Das sind nicht nur Roboter, die von einem Material umgeben sind, das menschlicher Haut ähnelt. Auch Anzüge aus weichem Material, die der Mensch am Körper trägt und die über Elektronik verfügen, gehören dazu.

    Einige dieser Entwicklungen versprechen, Menschen mit eingeschränkter Mobilität die Beweglichkeit wieder zurückzugeben. Aber starre Leitungen im Inneren und weiche, dehnbare Materialien, in denen diese verlaufen – da sind technische Pannen durch kaputte Stromkreise vorprogrammiert.

    Selbstheilung durch Silikon und Flüssigmetall

    Genau hier setzt die Lösung von Forschern des Robotics Institute von der Carnegie Mellon University im US-Bundesstaat Pennsylvania an, die jüngst in der Fachzeitschrift Nature publiziert wurde. Dabei geht es um einen „selbstheilenden“ Verbundstoff, der aus isolierendem Silikongummi besteht, in das mikroskopische Tröpfchen eines ungiftigen flüssigen Metalls eingelassen sind, erklärt der Erstautor der Studie Eric Markvicka. Wird auf diesen Verbundstoff nun lokal Druck ausgeübt, dann brechen die Tropfen aus ihren Einbettungen aus und formen elektrische Verbindungen mit angrenzenden Tröpfchen. Auf diese Weise bildet sich im Isolator plötzlich eine Leitung.

    Die Erfindung des Forscherteams aus Carnegie Mellon University College of Engineering
    © Foto : Carnegie Mellon University College of Engineering
    Die Erfindung des Forscherteams aus Carnegie Mellon University College of Engineering

    Das konkrete Beispiel zeigt einen Schaltkreis mit drei Leitungen, die im bereits beschriebenen Verbundstoff verlaufen. Nun werden diese der Reihe nach unterbrochen, doch der Strom fließt weiter. Das ist nur möglich, weil der Stoff um die beschädigten Stellen herum neue Leitungen entstehen lässt – und so die beschädigten Schaltkreise sofort wieder schließt. Die Löcher selbst werden dabei allerdings noch nicht geschlossen. Bis zum Material, aus dem der „Terminator“ besteht, ist es also noch ein weiter Weg. Die Forscher wollen ihn gehen und einen Stoff entwickeln, der sich auch mechanisch repariert und komplett regeneriert – möglichst ohne Eingriff des Menschen.

    Menschliches Nervensystem als Vorbild

    Bei ihrer Arbeit haben sich die Forscher an den Selbstheilungskräften des menschlichen Organismus orientiert, erklärt Markvicka. Dabei habe sich der Vergleich mit dem Nervensystem als besonders fruchtbar erwiesen. Denn Nervenzellen verfügen über die Fähigkeit, beschädigte oder abgestorbene Bereiche durch neue Verbindungen zu umgehen. In der Wissenschaft wird diese Eigenschaft als Neuroplastizität bezeichnet. Auch die Tröpfchen schaffen neue Bahnen, wenn ein Bereich beschädigt ist und die Verbindung unterbrochen wird.

    Bei ihrer Arbeit haben sich die Forscher an den Selbstheilungskräften des menschlichen Organismus orientiert
    © Foto : Public Domain
    Bei ihrer Arbeit haben sich die Forscher an den Selbstheilungskräften des menschlichen Organismus orientiert

    Außerdem ermöglichte das Nervenmodell den Forschern einen Blick in die fernere Zukunft: „Mit wachsendem Interesse an weicher bio-inspirierter Robotik betrachteten wir den Verbundstoff als eine Art künstliches Nervengewebe, das einen weichen Roboter mit einem Nervennetzwerk ausstatten könnte, indem es elektrische Verbindungen zwischen seiner Stromquelle, der Steuereinheit und elektrisch betriebenen Gliedmaßen stiften würde“, so der Forscher.

    Kleidungsstücke und aufblasbare Häuser

    In nächster Zukunft liege der Nutzen des neuen Materials darin, dehnbare Stoffe und aufblasbare Strukturen entwickeln zu können. „Beispiele dafür sind mit Sensoren ausgestattete Kleidungsstücke oder ein aufblasbares Haus oder Flugschiff, die mit einem schadenresistenten elektrischen Netz versehen sind“, so Markvicka. „Auf lange Sicht glauben wir, dass das Material in weichen Robotern, die natürliche Organismen nachahmen, als künstliches Nervengewebe zum Einsatz kommen könnte.“

    Die Rohmaterialien, aus denen der Verbundstoff besteht, können derzeit für etwa 15 bis 20 US-amerikanische Cent je Gramm erworben werden. Die Massenproduktion würde die Kosten nur noch weiter verringern, so Markvicka.

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    Tags:
    Elektrik, Forschung, Terminator, Roboter, Carnegie Mellon University Pittsburgh, Pennsylvania, USA
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