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Softrobotik ohne Motor Formbare Graphenoxid-Folie wird zum selbstfühlenden Aktuator

Von Manuel Christa 2 min Lesedauer

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Ultradünne Folien aus Graphenoxid lassen sich so fertigen und „programmieren“, dass sie sich wie Origami-Strukturen öffnen, schließen und umformen. Kanadische Forschende kombinieren dafür großflächig herstellbares „GO-Papier“ mit Faltgeometrien, die Bewegung nicht nur erzeugen, sondern auch Zustände speichern können.

Graphenoxid-Folie: Magnetfeld oder Feuchtigkeit lässt das dünne Papier sich selbst entfalten.(Bild: Dall-E / KI-generiert)
Graphenoxid-Folie: Magnetfeld oder Feuchtigkeit lässt das dünne Papier sich selbst entfalten.
(Bild: Dall-E / KI-generiert)

Es geht um ein altbekanntes Problem der Softrobotik: Materialien sollen sich kontrolliert bewegen, ohne dass starre Mechanik, Kabel oder schwere Antriebe die Sache wieder „hart“ machen. Graphenoxid galt dafür als Kandidat, scheiterte in der Praxis aber oft an Sprödigkeit und an der Skalierung.

Origami-Geometrie steuert die Bewegung

In einer Arbeit beschreibt ein Forscherteam der kanadische McGill-Universität aus Montreal eine Hochdurchsatz-Fertigung für flexible und zugleich feste Graphenoxid-Papiere. Dazu wird eine GO-Suspension auf ein nasses Zellulose-Substrat aufgebracht. Die Zellulose hält Wasser während des Trocknens in der Struktur, was die Zähigkeit und Biegsamkeit verbessert. Aus dem Material baut die Gruppe Miura-ori- und Kresling-Origami, die sich in feuchter Umgebung entfalten und beim Trocknen wieder zusammenfalten. Die Bewegung entsteht aus der hygroskopischen Ausdehnung der GO-Nanoschichten und der Falt-Topologie.

Praktisch ist dabei weniger der „Origami-Trick“ als der Engineering-Ansatz: Statt über Materialgradienten nur Biegen oder Verdrehen zu bekommen, soll die Faltgeometrie mehr Freiheitsgrade liefern, inklusive bistabiler Zustände. Die Autoren demonstrieren das unter anderem als „Feuchte-Anzeige“ mit Zustandslogik.

Magnetische Fernsteuerung und Selbst-Sensorik

Eine weitere Studie geht einen Schritt Richtung Anwendung: Hier werden harte magnetische Mikropartikel in eine bilagige „magnetische Graphenoxid“-Folie (MGO) integriert. Die resultierenden, papierartigen Filme lassen sich schneiden, falten und zu 3D-Strukturen montieren. Angesteuert werden sie über Magnetfelder, auch in wässriger Umgebung. Zusätzlich beschreibt das Paper eine Reprogrammierung der Magnetisierung über wiederverwendbare „magnetische Sticker“, um Bewegungsmuster zu ändern, ohne das Bauteil neu zu fertigen.

Spannend ist hier die Kombination aus Aktuation und Sensorik im selben Material. Die GO-Schicht ändert beim Biegen ihren elektrischen Widerstand, sodass sich die Deformation messen lässt. Damit rückt ein geschlossener Regelkreis näher, also Softroboter, die ihre eigene Bewegung erfassen und nachführen.

Die Forschenden ordnen den Schritt als Weg aus der Labor-Ecke ein. Marta Cerruti, Werkstoffwissenschaftlerin an der McGill, erklärt: „Graphenoxid-Filme sind für Softroboter der nächsten Generation und adaptive Aktuatoren sehr vielversprechend, trotzdem bleibt ihr Einsatz in der Praxis begrenzt, weil sie spröde sind, sich in großem Maßstab schwer herstellen lassen und keine komplexen oder programmierbaren Bewegungen erzeugen können.“ Abdolhamid Akbarzadeh, Professor im selben Fachgebiet, ergänzt: „Diese Fortschritte ermöglichen robuste, rekonfigurierbare und multifunktionale GO-Metamaterialien, die komplexe Bewegungen, benutzerdefinierte Formänderungen, integrierte Sensorik und Echtzeit-Rückkopplung ermöglichen.“ (mc)

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