Selbstheilende weiche Roboter, 3D-gedruckt mit Abfallschwefel: die südkoreanische Forschung
Ein südkoreanisches Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, um industriellen Abfallschwefel in ein 3D-druckbares Polymer umzuwandeln, das zur Herstellung weicher Roboter verwendet wird, die sich bewegen, Gegenstände greifen und selbstständig reparieren können. Die Lösung geht ein wachsendes Umweltproblem an: Jedes Jahr erzeugt die Erdölindustrie 85 Millionen Tonnen überschüssigen Schwefel.
Das Material, genannt PSN (poly(phenylene polysulfide) network), stellt eine konkrete Anwendung des 4D-Drucks dar, der auf das Recycling von industriellen Materialien angewendet wird, die sonst schwer zu entsorgen sind.
Das Problem des industriellen Schwefels
Die Erdölindustrie muss Schwefel aus dem Rohöl entfernen, um Umweltauflagen zu erfüllen, aber die bestehenden industriellen Anwendungen können die gesamte Produktion nicht aufnehmen.
Die Entfernung von Schwefel aus Rohöl ist gesetzlich vorgeschrieben. Seine wichtigste industrielle Verwendung, die Herstellung von Schwefelsäure, hat bereits die maximale Kapazität erreicht. Im Jahr 2024 erreichte die globale Produktion nach Angaben des U.S. Geological Survey 85 Millionen Tonnen.
Dieser Überschuss stellt ein logistisches und ökologisches Problem dar. Das Team, bestehend aus Forschern des KRICT, der Hanyang University und der Sejong University, hat eine Lösung gefunden: Schwefel in ein Polymer für den 4D-Druck umzuwandeln.
- 85 Millionen Tonnen Schwefel, die 2024 ohne definierte Verwendung produziert wurden
- Neues 3D-druckbares PSN-Polymer aus industriellem Schwefel
- Weiche Roboter unter 1 cm, die zu autonomer Bewegung und Selbstreparatur fähig sind
- Geschlossenes Kreislaufsystem mit vollständigem Materialrecycling
Die überwundene technische Herausforderung
Das PSN hatte eine zu starre Molekularstruktur, um extrudiert zu werden. Die Forscher modifizierten das Polymernetzwerk, während die funktionellen Eigenschaften intakt blieben.
Bis heute konnte das poly(phenylene polysulfide) network nicht in 3D gedruckt werden. Seine zu stark vernetzte innere Struktur verhinderte den Fluss durch l’Extruder. Das südkoreanische Team verlängerte das Polymernetzwerk gerade genug, um komplexe Geometrien zu drucken, ohne die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen.
Das Ergebnis ist eine Struktur mit Formgedächtnis, die auf Wärme oder Licht reagiert. Es werden keine Motoren, Kabel oder externe Stromversorgung benötigt.
Miniaturisierte magnetische Roboter
Durch die Einarbeitung von 20 % Eisenpulver schufen die Forscher eine magnetische Version des PSN, die auf externe Magnetfelder reagiert.
Die magnetische Version des Materials, genannt MPSN, ermöglichte den Bau von Robotern unter einem Zentimeter. Diese Geräte überwinden Hindernisse, geben Lasten an bestimmten Stellen frei oder setzen Katalysatoren frei, um chemische Reaktionen auf Abruf auszulösen.
I robot si muovono in risposta a calore, luce o campi magnetici. La loro dimensione ridotta e l’assenza di componenti elettronici li rende adatti ad applicazioni in ambienti difficili.
Montagesystem ohne Klebstoffe
Ein Nahinfrarotlaser ermöglicht es, zwei gedruckte Teile in acht Sekunden zu verschmelzen und dabei dauerhafte Verbindungen ohne Klebstoffe zu schaffen.
Das vom Team entwickelte Montagesystem macht Klebstoffe überflüssig. Durch Anwendung eines Nahinfrarotlasers für acht Sekunden können zwei gedruckte Komponenten verschmolzen werden. Die Hitze bricht und verbindet die inneren Bindungen des Polymers wieder, wodurch die Teile ähnlich wie LEGO-Steine zusammengefügt werden.
Diese Technik vereinfacht die Herstellung komplexer Strukturen. Die Verbindungen sind robust und behalten die Formgedächtniseigenschaften des Materials.
Der 4D-Druck erzeugt Objekte, die sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf äußere Reize wie Temperatur, Licht oder Magnetfelder verformen. Das vierte Element ist die Zeit, die statische Strukturen in dynamische Systeme verwandelt.
Geschlossener Kreislauf
Nachdem ihre Funktion erschöpft ist, kann jede Komponente eingeschmolzen und ohne Abfallerzeugung neu gedruckt werden. Die Forscher bezeichnen den Prozess als ein geschlossenes Kreislaufsystem.
Nach der Verwendung können die Komponenten eingeschmolzen und von Grund auf neu gedruckt werden. Die Forscher beschreiben den Prozess als einen geschlossenen Kreislauf, in dem das Material kontinuierlich recycelt wird, ohne zusätzliche Abfälle zu erzeugen.
Dong-Gyun Kim, einer der Projektverantwortlichen, betonte, dass dies der erste dokumentierte Fall eines vollständigen Recyclings für diese Art von Polymer sei. Die Möglichkeit, das Material unbegrenzt wiederzuverwenden, reduziert die Umweltbelastung und die Produktionskosten.
Anwendungsperspektiven
Die Technologie eröffnet Szenarien für miniaturisierte medizinische Geräte, Umweltsensoren und Systeme zur kontrollierten Freisetzung von Chemikalien.
Die potenziellen Anwendungen reichen von der Medizin bis zur chemischen Industrie. Weiche Roboter in Millimetergröße könnten im menschlichen Körper für minimalinvasive Eingriffe eingesetzt werden. Im industriellen Bereich könnten sie als intelligente Sensoren oder als Träger für Katalysatoren in komplexen chemischen Reaktionen dienen.
Die Selbstheilungsfähigkeit verlängert die Nutzungsdauer der Geräte. Die Kombination aus recycelbarem Material, geringer Größe und autonomen Funktionen stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung nachhaltiger Robotersysteme dar.
articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale
Fragen & Antworten
Welcher Rohstoff wird zur Herstellung der neuen weichen Roboter verwendet?
Die Roboter bestehen aus einem Polymer namens PSN, das durch Umwandlung von industriellem Abfallschwefel gewonnen wird, von dem die Erdölindustrie jedes Jahr 85 Millionen Tonnen Überschuss produziert.
Wie bewegen sich diese Roboter ohne Motoren oder Batterien?
Das Polymer PSN hat Formgedächtnis und reagiert auf Wärme, Licht oder Magnetfelder; die magnetische Version MPSN, die 20 % Eisenpulver enthält, reagiert auf externe Magnetfelder.
Wie werden die Komponenten ohne Verwendung von Klebstoffen zusammengebaut?
Ein Nahinfrarotlaser schmilzt zwei gedruckte Teile in acht Sekunden, indem er die inneren Bindungen des Polymers aufbricht und wieder verbindet, um dauerhafte Verbindungen zu schaffen.
Was bedeutet es, dass der Prozess ein geschlossener Kreislauf ist?
Die Komponenten können geschmolzen und neu gedruckt werden, ohne Abfall zu erzeugen, was den ersten dokumentierten Fall eines vollständigen Recyclings für diese Art von Polymer darstellt.
Was sind die potenziellen Anwendungen dieser Roboter?
Zu den Anwendungen gehören miniaturisierte medizinische Geräte für minimalinvasive Eingriffe, Umweltsensoren und Systeme zur kontrollierten Freisetzung von Chemikalien im industriellen Bereich.
