Forscher der Öffentlichen Universität von Navarra (UPNA/NUP), Teil der Institute Smart Cities (ISC) und InaMat2, haben einen Verbundwerkstoff aus Thermoplast und Eisenpulver mithilfe von Wärme und Magnetfeldern ferngesteuert manipuliert und dabei „einen noch nie dagewesenen Grad an Kontrolle erreicht Vor.“
Der Verbundstoff, der als programmierbare Materie klassifiziert wird, kann in Luft, Wasser oder in biologischem Gewebe ferngesteuert manipuliert werden und eröffnet so Möglichkeiten für die Entwicklung von biomedizinischen Geräten, taktilen Displays und Objektmanipulatoren.
Die Autoren dieser Studie, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichtesind Josu Irisarri, Íñigo Ezcurdia, Xabier Sandúa, Itziar Galarreta, Iñaki Pérez de Landazábal und Asier Marzo.
Programmierbare Materie wird als Material definiert, das in der Lage ist, seine Eigenschaften auf programmatische Weise zu modifizieren. „Es kann seine Form, Steifigkeit oder andere physikalische Eigenschaften kontrolliert verändern“, sagt Asier Marzo. Bisher wurden optische oder magnetische Methoden verwendet, um Materie fernzusteuern. „Allerdings haben beide Verfahren Einschränkungen: Ersteres in Bezug auf die Stärke und Letzteres in Bezug auf die minimale Größe der erreichbaren Details – räumliche Auflösung.“
Die Forscher führten mehrere Fernmanipulationen mit Licht, Wärme und Magneten an dem Verbundwerkstoff durch, wie in diesem Video zu sehen ist. Quelle: UPNA/NUP-Öffentliche Universität Navarra
Kontrolle der Materie durch Wärme und Magnetfelder
Die UPNA/NUP-Forscher verwendeten einen Verbundstoff aus Thermoplast und Eisenpulver. Ersterer ist bei 27°C starr, wird aber formbar, wenn er in einem reversiblen Prozess erwärmt wird. Andererseits lässt sich Eisenpulver mit dem Thermoplast vermischen und wird von Magnetfeldern angezogen. Die Verbindung wurde thermischen Mustern und Magnetfeldern ausgesetzt.
Dank dieser Kombination „zeigt sich ein beispielloses Maß an Kontrolle“, so der Hauptautor des Artikels, Josu Irisarri. Dazu wird die Masse an bestimmten Stellen erhitzt, die verformbar werden und von Magnetfeldern angezogen werden können. „Die heißen Bereiche verfestigen sich beim Abkühlen und der Vorgang kann wiederholt werden“, ergänzt Josu Irisarri.
Die Forscher führten mehrere Fernmanipulationen mit Licht, Wärme und Magneten an dem Verbundwerkstoff durch. Beispielsweise wurde ein Filament in der Mitte erhitzt, wodurch es formbar wurde. Danach wird es durch ein von den Seiten gezogenes Magnetfeld entlang des vorgewärmten Bereichs gebogen. Das Filament verfestigte sich beim Abkühlen. Dieser Vorgang wurde mehrmals wiederholt, um verschiedene Buchstaben mit einem einzigen Strang zu bilden.
In einem zweiten Experiment wurde eine Materialbahn punktuell mit einem Laser erhitzt. Danach zog ein Magnetfeld diese Punkte an und als sie abkühlten, wurden sie fest und bildeten ein Braille-Muster. Dieser Vorgang wurde für komplexere Muster wiederholt.
Im dritten Experiment wurde ein Materialblock mit Infrarotlicht erhitzt und durch ein Magnetfeld zu einer Säule angehoben. Dann wurde ein Punkt auf der Säule erhitzt und wiederum mit einem Magnetfeld ein sekundärer Ast herausgezogen, der einen Baum bildete.
Im abschließenden Test wurde das Material in einen Lungensimulator-Ballon eingebracht, der optisch undurchsichtig ist. Er wurde mit Mikrowellen erhitzt und durch Anlegen der Magnetfelder konnte das Material im Inneren des Ballons auf eine bestimmte Größe expandiert werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Material bewegt, gedreht, gebogen, gedehnt, zusammengezogen, gespalten, verschmolzen, angehoben, geschmolzen und zu Figuren oder Braille-Mustern geformt werden kann. Darüber hinaus kann es in seinem festen Zustand schwere Gewichte tragen.
Komplexe Manipulationen
„Wir haben komplexe Manipulationen an 3D-Blöcken, 2D-Folien und 1D-Filamenten demonstriert, die Anwendungen in taktilen Displays und Objektmanipulation finden werden“, sagt Asier Marzo.
Neben taktilen Technologien sehen die UPNA/NUP-Forscher weitere Möglichkeiten. „Aufgrund der niedrigen Übergangstemperatur und der Möglichkeit, mit Mikrowellen durch undurchsichtige Materialien hindurch zu erhitzen, kann der Verbundwerkstoff in biologischem Gewebe manipuliert werden, was ein großes Potenzial für biomedizinische Geräte bietet“, schließt Asier Marzo.
Mehr Informationen:
Josu Irisarri et al., Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-24543-5