Ingenieure der University of Colorado Boulder haben eine neue, gummiartige Folie entwickelt, die wie eine Heuschrecke hoch in die Luft springen kann – ganz von selbst und ohne Eingriff von außen. Einfach aufheizen und zusehen, wie es springt!
Die Forscher beschreiben ihre Leistung am 18. Januar in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte. Sie sagen, dass ähnliche Materialien eines Tages helfen könnten, „weiche Roboter“ (solche, die keine Zahnräder oder andere harte Komponenten benötigen, um sich zu bewegen) zu verkörpern, um zu springen oder zu heben.
Der Materialverbund verhält sich ähnlich wie Heuschrecken beim Springen, indem er Energie in ihren Beinen speichert und wieder abgibt, sagt Co-Autor der Studie, Timothy White.
„In der Natur nutzen viele Anpassungen wie das Bein einer Heuschrecke gespeicherte Energie, wie etwa eine elastische Instabilität“, sagte White, Gallogly-Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der CU Boulder. „Wir versuchen, synthetische Materialien zu schaffen, die diese natürlichen Eigenschaften nachahmen.“
Die neue Forschung nutzt das ungewöhnliche Verhalten einer Materialklasse namens Flüssigkristall-Elastomere. Diese Materialien sind feste und dehnbare Polymerversionen der Flüssigkristalle, die in Laptops oder Fernsehbildschirmen zu finden sind.
Kredit: Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade1320
In der Studie stellte das Team kleine Plättchen aus Flüssigkristall-Elastomeren in der Größe einer Kontaktlinse her und legte sie dann auf eine Heizplatte. Als sich diese Filme erhitzten, begannen sie sich zu verziehen und bildeten einen Kegel, der sich erhob, bis er plötzlich und explosionsartig von innen nach außen kippte und das Material in nur 6 Millisekunden auf eine Höhe von fast dem 200-fachen seiner eigenen Dicke schoss.
„Dies bietet Möglichkeiten für die Verwendung von Polymermaterialien auf neue Weise für Anwendungen wie Soft-Robotik, bei denen wir häufig Zugang zu diesen Hochgeschwindigkeits- und Hochkraft-Betätigungsmechanismen benötigen“, sagte die Hauptautorin der Studie, Tayler Hebner, die in Chemie- und Bioingenieurwesen promoviert hat an der CU Boulder im Jahr 2022.
Zufällige Entdeckung
Hebner, jetzt Postdoktorandin an der University of Oregon, und ihre Kollegen entdeckten dieses Sprungverhalten fast zufällig.
Sie experimentierte mit der Entwicklung verschiedener Arten von Flüssigkristall-Elastomeren, um zu sehen, wie sie ihre Form bei wechselnden Temperaturen veränderten. Joselle McCracken, eine leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin in Whites Labor, schloss sich ihr an, um zu beobachten.
„Wir sahen nur zu, wie das Flüssigkristall-Elastomer auf der Heizplatte lag, und fragten uns, warum es nicht die erwartete Form hatte. Es sprang plötzlich direkt aus der Testphase auf die Arbeitsplatte“, sagte Hebner. „Wir haben uns beide nur irgendwie verwirrt, aber auch aufgeregt angeschaut.“
Durch sorgfältige Experimente und die Hilfe von Mitarbeitern des California Institute of Technology entdeckte das Team, was ihr Material zum Hochsprung veranlasste.
White erklärte, dass jede dieser Folien aus drei Elastomerschichten besteht. Diese Schichten schrumpfen, wenn sie heiß werden, sagte er, aber die oberen beiden Schichten schrumpfen schneller als die untere. Diese Inkongruenz, kombiniert mit der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle innerhalb der Schichten, bewirkt, dass sich der Film zusammenzieht und eine Kegelform bildet. Es ist ein bisschen so, wie sich lackierte Vinylverkleidungen in den Sonnenstrahlen verziehen können.
Während sich der Kegel bildet, baut sich Spannung in der Folie auf, bis auf einmal – reißt! Der Kegel dreht sich um, schlägt auf die Oberfläche und schlägt das Material hoch. Derselbe Film kann auch mehrmals hüpfen, ohne sich abzunutzen.
„Wenn diese Inversion passiert, schnappt das Material durch und springt genau wie ein Popper-Spielzeug von der Oberfläche ab“, sagte White.
Springt nach vorne
Im Gegensatz zu diesen Poppers sind die Flüssigkristall-Elastomere des Teams jedoch vielseitig. Die Forscher können ihre Filme so optimieren, dass sie beispielsweise hüpfen, wenn ihnen kalt wird, nicht aber heiß. Sie können den Filmen auch Beine geben, damit sie in eine bestimmte Richtung springen.
Die meisten Roboter wären wahrscheinlich nicht in der Lage, diese Art von Popping-Effekt zu nutzen, um ihre Teile in Bewegung zu versetzen. Aber White sagte, dass das Projekt zeigt, wozu ähnliche Arten von Materialien in der Lage sein könnten – eine beeindruckende Menge an elastischer Energie zu speichern und sie dann auf einmal freizusetzen. Und, so Hebner, das Projekt habe ein bisschen Spaß ins Labor gebracht.
„Es ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie sich die grundlegenden Konzepte, die wir studieren, in Designs verwandeln können, die auf komplexe und erstaunliche Weise funktionieren“, sagte sie.
Heuschrecken, triff deine neue Konkurrenz.
Mehr Informationen:
Tayler Hebner et al., Leaping Liquid Crystal Elastomers, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade1320. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade1320