Flüssige Roboter werden Realität, inspiriert von Seegurken

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Keke (Materialdesigner)

Hersteller: China Science Expo

Nach der Veröffentlichung des Films „Terminator 2“ hinterließ der Bösewicht Nummer eins, der Flüssigmetallroboter T1000, einen sehr tiefen Eindruck auf der Welt. Im Film verfügt der T1000 nicht nur über ein Stahlgerüst, sondern kann auch seine Körperform nach Belieben verändern. Es kann sich sogar in eine Flüssigkeitslache verwandeln und dann wieder in seine ursprüngliche Form kondensieren.

Heute wird diese einst wilde Fantasie allmählich Wirklichkeit. Am 25. Januar gab ein Forscherteam der Sun Yat-sen-Universität, der Zhejiang-Universität und der Carnegie Mellon University in den USA seine neuesten Forschungsergebnisse bekannt. Sie verwendeten ein Material namens magnetisch aktives Phasenwechselmaterial (MPTM), um einen Roboterprototyp zu bauen, der zwischen fester und flüssiger Form wechseln und bis zu einem gewissen Grad durch Magnetismus gesteuert werden kann.

In der öffentlichen Animation zollte das Forschungsteam der berühmten Szene aus „Terminator 2“ Tribut, indem es den Käfig durchquerte, und zeigte den Menschen gleichzeitig die magischen Eigenschaften des MPTM-Materials. Kommen Sie und sehen Sie, was los ist.

Terminator 2-Poster

Bildquelle: Wikipedia

Warum ist es für Materialien schwierig, die Eigenschaften „Härte und Flexibilität“ zu haben?

Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass Starrheit und die Fähigkeit zur freien Verformbarkeit nicht gleichzeitig existieren können. Tatsächlich ist es mit den vorhandenen Materialien schwierig, beides zu erreichen. Beispielsweise haben scheinbar harte Materialien wie Metalle oft sehr hohe Schmelzpunkte. Zwar lässt es sich bei hohen Temperaturen zu einer fließfähigen Flüssigkeit schmelzen, doch erfordert das Erhitzen und Schmelzen einerseits einen erheblichen Energie- und Zeitaufwand. Andererseits kann das geschmolzene Metall bei hoher Temperatur nur in einem speziellen hitzebeständigen Tiegel aufbewahrt werden. Außer dem Metallguss hat es keinen weiteren Anwendungswert.

Mit anderen Worten: Es ist für herkömmliche Materialien grundsätzlich unmöglich, tatsächlich eine Härte und Flexibilität wie T1000 zu erreichen.

Es gibt jedoch tatsächlich einige Materialien, die eine gewisse Steifigkeit aufweisen und gleichzeitig ein hohes Maß an Weichheit bewahren. Beispielsweise sieht D3O, ein Material, das in den letzten Jahren sehr beliebt war, so weich aus wie Plastilin und kann in jede beliebige Form gebracht werden, kann jedoch sehr hart werden, wenn es einem kurzen Stoß (beispielsweise einem Hammer) ausgesetzt wird.

D3O nutzt tatsächlich den Scherverdickungseffekt. Wenn manche Flüssigkeiten Scherkräften ausgesetzt werden (z. B. durch Hämmern), steigt die Viskosität plötzlich an. Es sieht aus wie Plastilin, aber wenn Sie fest darauf schlagen, fühlt es sich tatsächlich so an, als würden Sie auf ein großes Stück Kohlefaser schlagen.

Schutzhandschuhe aus D3O

Autor: HecltoTrmel2020

Bildquelle: Wikipedia

In der Natur gibt es viele Arten mit ähnlichen Merkmalen, wie zum Beispiel den im Meer weit verbreiteten Organismus Seegurke. Obwohl sein Körper weich ist, kann er seine Härte tatsächlich innerhalb eines bestimmten Bereichs anpassen. Das Prinzip dahinter besteht darin, die Härte der interfibrillären Matrix, aus der sein Körper besteht, zu verändern, sodass der ursprünglich weiche Körper eine gewisse Tragfähigkeit erhält und verhindert, dass verschiedene Umweltfaktoren seinem Körper schaden.

Seegurke mit weichem Körper

Autor: François Michonneau Bildquelle: Wikipedia

Bisherige Materialien dieser Art (einschließlich natürlich der Körperstruktur von Seegurken) hatten ein fatales Problem: Sie konnten ihre Form im starren Zustand nicht so beibehalten wie Strukturmaterialien wie Aluminiumlegierungen oder Stahl und sie konnten den verschiedenen mechanischen Belastungen wie Zug, Scherung und Torsion nicht standhalten, denen allgemeine Strukturmaterialien standhalten können.

Das Team, das diese Forschung abgeschlossen hat, hat jedoch ein Material geschaffen, das problemlos zwischen starrem und flexiblem Zustand wechseln kann und im starren Zustand auch eine hervorragende mechanische Festigkeit wie Metall aufweist. Das ist MPTM. Es wird berichtet, dass die Inspiration durch Seegurken eine Schlüsselrolle bei der Erfindung von MPTM spielte.

Der starr-flexible Umwandlungsmechanismus von MPTM. Bildquelle: Referenz 1

Wo ist das MPTM-Rind?

MPTM ist ein Verbundwerkstoff aus metallischem Gallium und magnetischen Partikeln. Gallium ist ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, das bei 29,8 °C schmilzt. Bei normaler Zimmertemperatur (25 °C) ist es also ein Metall, wird aber flüssig, wenn die Temperatur leicht ansteigt (beispielsweise bei der Temperatur der Handfläche einer Person).

Basierend auf dieser besonderen Eigenschaft nutzten die Forscher geschickt die wärmeerzeugende Wirkung des alternierenden Magnetfelds auf die magnetischen Partikel im MPTM. Durch einfache Steuerung des Magnetfelds können sie die Temperatur des MPTM-Materials über den Schmelzpunkt von Gallium erhöhen und es so in eine Flüssigkeit verwandeln. Anschließend verwandelt sich MPTM nach natürlicher Abkühlung in einen Feststoff mit metallähnlichen Eigenschaften.

Schematische Darstellung des MPTM in zwei Zuständen. Bildquelle: Referenz 1

Festes MPTM weist ähnliche mechanische Eigenschaften wie Galliummetall auf, weist eine mechanische Festigkeit von bis zu 21 MPa auf und kann Objekten standhalten, die 30 Mal schwerer sind als sein Eigengewicht. Obwohl es im Vergleich zu allgemeinen Strukturmaterialien immer noch etwas zerbrechlich ist, ist es als allgemeiner Feststoff vollkommen praktikabel. Das Erstaunlichste daran ist, dass MPTM aufgrund der Anwesenheit magnetischer Partikel sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand durch das Magnetfeld gesteuert werden kann und dass das Magnetfeld zu seiner Bewegung genutzt werden kann.

In dem Demonstrationsvideo wurde ein in einem Käfig gefangener MPTM-Mann gezeigt, der eine Verflüssigung erfuhr, aus dem Käfig „entkam“, dann seine ursprüngliche Gestalt annahm und auf der Stelle „plötzlich aufsprang“. Es war einfach der T1000 selbst. Allerdings muss darauf hingewiesen werden, dass sich unter dem Käfig tatsächlich ein Schimmel in Form eines kleinen Männchens befindet. Das verflüssigte MPTM gelangt in die Form und wird nach dem Abkühlen erneut in die Form eines kleinen Mannes gegossen. Trotzdem erreichte MPTM beispiellose Höhen.

GIF 1 Der verflüssigte „Jailbreak“-Prozess des kleinen Roboters Bildquelle: Referenz 1

Gif 2: Der Roboter nimmt nach dem Abkühlen wieder seine ursprüngliche Form an. Beachten Sie den Schimmel unter dem Käfig. Bildquelle: Referenz 1

Das Forschungsteam lieferte außerdem eine Reihe potenzieller Anwendungsszenarien, wie etwa, dass MPTM in fester Form in den Körper gelangt, sich dann unter der Einwirkung von Magnetismus verflüssigt, während versehentlich verschluckte Fremdkörper eingewickelt werden, und dass die Verfestigung dann durch ein Magnetfeld gesteuert wird und das MPTM, das Fremdkörper mit sich trägt, aus dem menschlichen Körper geleitet wird. Darüber hinaus waren auch mehrere Demonstrationen beeindruckend, beispielsweise das Zusammenbauen von Schaltkreisen und Teilen auf begrenztem Raum und das Einführen in Schraubenlöcher zum Befestigen von Objekten.

Bild 3: Demonstrationsvideo zur Entfernung von Fremdkörpern aus dem Körper durch MPTM. Bildquelle: Referenz 1

Bild 4: Der MPTM-Roboter wurde erfolgreich mit dem Schaltkreis verbunden. Bildquelle: Referenz 1

Das von Wissenschaftlern aus China und den USA vorgeschlagene MPTM-Material hat auf dem Gebiet der Flüssigkeitsroboterforschung in mehreren Aspekten wie Verformung, Wiederherstellung und Steuerbarkeit neue Durchbrüche erzielt. Allerdings erreicht es hinsichtlich der präzisen Steuerung noch nicht das praxistaugliche Niveau und die vollständige Wiederherstellung des Zustands vor der Verflüssigung kann nur mit ein wenig „Einfallsreichtum“ erreicht werden. Aber es ist immer noch unsere Begeisterung wert, zu sehen, wie die wilde Fantasie aus Science-Fiction-Filmen Wirklichkeit wird. Freust du dich auch schon darauf?

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

1. Magnetoaktive Übergangsmaterie in der Flüssig-Fest-Phase
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00693-2

2. Robot Liquefaction Prison Break: Chinesisches Team verwirklicht Terminator-Fantasie, inspiriert von Seegurken
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21690166