Forscher der EPFL entwickeln bahnbrechendes Verfahren für 3D-Druck von Robotergliedern und Prothesen mit Elastomeren

Ein neues Verfahren zur Herstellung von Robotergliedern und Prothesen mithilfe von Elastomeren im 3D-Druck wurde von Forschern der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) entwickelt. Diese bahnbrechende Entwicklung ermöglicht es, unterschiedliche lokale mechanische Eigenschaften zu erreichen und somit den Einsatz von Aktuatoren auf Elastomer-Basis zu verbessern.

Bisher war es nicht möglich, 3D-Strukturen mit variierenden mechanischen Eigenschaften herzustellen, doch mit den neuen druckbaren Elastomeren der EPFL wird sich das nun ändern. Normalerweise werden Elastomere gegossen, was bedeutet, dass ihre Zusammensetzung nicht über kurze Längenskalen in allen drei Dimensionen verändert werden kann.

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher sogenannte DNGEs (Double Network Granular Elastomers) entwickelt. DNGEs sind granulare Elastomere mit doppeltem Netzwerk, die in einem bisher unerreichten Ausmaß ihre mechanischen Eigenschaften verändern können. Die Vielseitigkeit des neuen Elastomers beruht auf zwei elastomeren Netzwerken.

Zur Herstellung werden elastomere Mikropartikel aus Öl-in-Wasser-Emulsionstropfen gewonnen. Diese Mikropartikel werden in eine Vorläuferlösung gegeben, in der sie Elastomerverbindungen aufnehmen und anschließend quellen. Diese Mikropartikel dienen als Grundlage für die Herstellung einer 3D-druckbaren Flüssigkeit, die mit einem Bio-3D-Drucker verwendet wird, um die gewünschte 3D-Struktur zu erzeugen. In der 3D-Struktur erfolgt die Polymerisation des Vorläufers, wodurch ein zusätzliches Netzwerk aus Elastomeren entsteht. Das erste Netzwerk ist für die Steifheit des Materials zuständig, während das zweite Netzwerk für die Bruchbeständigkeit verantwortlich ist.

Die Forscher betonen, dass Elastomere im Vergleich zu den häufig verwendeten Hydrogelen besser geeignet sind. Hydrogele enthalten Wasser und sind daher instabil, wenn sie einer kontinuierlichen Belastung ausgesetzt sind. DNGEs weisen keine dieser nachteiligen Eigenschaften auf und können zudem mithilfe eines herkömmlichen Bio-Druckers gedruckt werden.

Um die Leistungsfähigkeit des neuen Materials zu demonstrieren, haben die Forscher einen künstlichen Finger im 3D-Druckverfahren hergestellt. Unter der flexiblen Außenhülle wurden starre Elemente als “Knochen” eingefügt. Der Finger ist sowohl flexibel genug, um mit geringem Energieaufwand bewegt zu werden, als auch stabil genug, um Objekte zu manipulieren. Die Forscher sehen darin eine vielversprechende Möglichkeit, weiche Aktuatoren für Roboter und tragbare Prothesen zu entwickeln, die ohne sperrige Gelenke auskommen.

Die Forscher des Soft Materials Labs der EPFL arbeiten bereits daran, aktive Elemente in die 3D-Strukturen aus DNGEs zu integrieren. Dadurch könnten in Zukunft noch fortschrittlichere und vielseitigere Anwendungen realisiert werden, beispielsweise Materialien, die reaktionsfähig sind oder elektrische Verbindungen enthalten.

Das Verfahren zur Herstellung von Robotergliedern und Prothesen mithilfe von Elastomeren im 3D-Druck stellt einen bedeutenden Fortschritt dar und könnte die Entwicklung von leistungsfähigeren und komfortableren tragbaren Robotern und Prothesen ermöglichen. Die Forschungsarbeit der EPFL trägt zur Weiterentwicklung der Robotik und Medizintechnik bei und wird sicherlich in Zukunft noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.

Schlagwörter: EPFL + École Polytechnique Fédérale de Lausanne + Esther Amstad

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