Autonome weiche Robotikmaschinen durch kinetische Asymmetrie in Hydrogelmotoren

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Walther
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543779550

Die klassische Hydrogel-Soft-Robotik basiert auf Doppelschicht-Aktoren, die einer reziproken Bewegung folgen und weder Arbeit akkumulieren noch sich selbst im zyklischen Betrieb von Agonist/Antagonist-Auslösern antreiben können. In Anlehnung an die kinetische Asymmetrie molekularer Maschinen zielt dieser Antrag darauf ab, generische Konzepte für Hydrogel-Motorsysteme zu entwickeln, bei denen eine eingebaute kinetische Asymmetrie bei den Übergängen zwischen Quellung und Entquellung eine kontinuierliche Extraktion mechanischer Arbeit im zyklischen Betrieb homogen eingebrachter Agonist/Antagonisten-Stimuli ermöglicht. Das Schlüsselelement ist die Erzielung einer nicht-reziproken Bewegung durch einen materialverankerten Ratschenmechanismus, der chemisch identische Hydrogele mit unterschiedlichen Porositäten kombiniert. Ein tiefes Verständnis der physikalisch-chemischen Prinzipien zur Erzielung einer kinetischen Asymmetrie in der Quell- und Entquellungskinetik (durch die Entwicklung der Porosität) wird daher die Grundlage bilden. Mittels Finite-Elemente-Modellierung wird die räumliche Asymmetrie in kompartimentierten Hydrogeldevices unter kinetischer Asymmetrie vorhergesagt, durch geometrisches Design maximiert und dann auf weiche Robotermotoren übertragen, durch die die Energie eines externen Stimulus in hydraulische oder kinetische Energie zur Akkumulation von Arbeit umgewandelt wird. Das Hydrogel-Motorsystem wird in Soft-Robotik-Maschinen mit verschiedenen Konfigurationen implementiert, die als künstliche Geißeln für Brustschwimmbewegungen und künstliche Flimmerhärchen fungieren, die metachrone Wellen zum Pumpen von Flüssigkeiten erzeugen. Ein entscheidender Aspekt ist, über die externe Agonist/Antagonist Schaltung hinauszugehen, und in den letzten Schritten werden die Soft-Robotikmotoren mit Photosäuren und chemischen Oszillatoren gekoppelt, um einen ferngesteuerten Betrieb und wirklich autonome und selbstantreibende Soft-Robotik-Maschinen zu erreichen. Insgesamt wird dieses Projekt das Konzept der kinetischen Asymmetrie - das weitgehend aus dem Bereich der molekularen Maschinen bekannt ist - in die Welt der Soft-Robotik-Materialien einführen, indem es autonome Soft-Robotik-Hydrogelmotoren und ihre Maschinen demonstriert, die in der Lage sind, Arbeit zu akkumulieren und Funktionen auszuführen. In Kombination mit chemischen Controllern und photochemischen Manipulatoren werden wir zeigen, wie autonomes und ferngesteuertes Verhalten erzielt werden kann. In einer breiteren Perspektive hoffen wir darauf, Materialwissenschaftler dazu zu inspirieren, über Einfachheit bei der Materialauswahl nachzudenken, da unsere kinetische Asymmetrie nicht mehrere orthogonale Stimuli verwendet, die mehrere Materialien erfordern, sondern wir einfach die kinetische Asymmetrie von Quellung und Entquellung durch Porositätseinstellung desselben Materials nutzen. Dies könnte bei einer technologischen Umsetzung helfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen