Was auf den ersten Blick wie skelettierte menschliche Hände aussieht, ist in Wirklichkeit ein Roboter aus dem 3D-Drucker. Forschenden ist es erstmals gelungen, durch die Kombination unterschiedlich schnell aushärtender Kunststoffe menschenähnliche Handstrukturen aus Knochen, Bändern und Sehnen zu drucken. In Zukunft könnten mithilfe der neuen Technologie Soft-Roboter entstehen, die zum Beispiel gut mit zerbrechlichen Gütern umgehen können, wie die Forschenden in „Nature“ berichten.
Mit 3D-Druckern lassen sich alle möglichen dreidimensionalen Objekte maßgeschneidert produzieren: vom Gebäude über den Käsekuchen bis hin zum menschlichen Herz. Die Palette an Materialien, die sich per 3D-Druck Schicht für Schicht in Form bringen lassen, steigt dabei stetig. Doch mit einem haben sich die Drucker bislang noch schwer getan: langsam härtenden Kunststoffen. Dabei ließen sich mit ihnen Objekte kreieren, die besonders elastisch und robust zugleich wären.
Scannen statt schaben
Forschende um Thomas Buchner von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich haben nun eine neue Technologie entwickelt, mit der sich auch langsam härtende Kunststoffe im 3D-Druck einsetzen lassen. Dafür passten sie unter anderem den Prozess an, in dem die Materialien Schicht für Schicht aufgetragen werden. Normalerweise erhärtet eine UV-Lampe zunächst jede aus dickflüssigem Kunststoff bestehende Schicht und eine spezielle Vorrichtung schabt dann darüber, sodass eine ebene Oberfläche entsteht. Erst dann kann die nächste Schicht folgen.
Doch langsam härtende Polymere wie Thiolene und Epoxide sind zum Zeitpunkt des Abschabens noch zu flüssig, sodass sie die Abschabevorrichtung verkleben würden. Um dieses Hindernis zu umgehen, ersetzten Buchner und sein Team den Schaber durch einen 3D-Laser-Scanner. Dieser prüft jede gedruckte Schicht sofort auf Unebenheiten und gleicht diese dann bei der nächsten Schicht automatisch aus. Eine abstehende Beule in der ersten Schicht wird dann zum Beispiel durch eine gleichgroße eingekerbte Delle in der zweiten Schicht ausgeglichen.
Eine Hand aus dem 3D-Drucker
Dank dieser Weiterentwicklung des 3D-Drucks ist es nun auch möglich, schnell und langsam härtende Kunststoffe miteinander zu kombinieren und so eine Reihe neuer Objekte zu drucken, wie die Forschenden erklären. Diese lassen sich unter anderem mit passgenauen Hohlräumen und filigranen Strukturen versehen, was insbesondere für die Robotik von Interesse ist. „Wir haben direkt eine Vielzahl komplexer, hochauflösender Verbundsysteme und Roboter hergestellt“, berichten Buchner und seine Kollegen.
Eine ihrer Kreationen sind die menschenähnlichen Roboterhände auf dem Foto, die sowohl menschliche Knochen und Sehnen als auch Bänder nachahmen. Letztere sind erst durch den Einsatz langsam aushärtender Thiolen-Polymere möglich geworden. „Roboter aus weichen Materialien, wie die von uns entwickelte Hand, haben Vorteile gegenüber herkömmlichen Robotern aus Metall: Weil sie weich sind, sinkt die Verletzungsgefahr, wenn sie mit Menschen zusammenarbeiten, und sie eignen sich besser für den Umgang mit zerbrechlichen Gütern“, erklärt Buchners Kollege Robert Katzschmann.
Die Forschungsgruppe wird die neue Technologie nun nutzen, um noch ausgefeiltere Strukturen zu entwerfen und zusätzliche Anwendungen zu entwickeln. (Nature, 2023, doi: 10.1038/s41586-023-06684-3)
Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
