Wissenschaftler des Exzellenzclusters Physics of Life (PoL) an der Technischen Universität Dresden (TUD) und der University of California Santa Barbara (UCSB) haben bahnbrechende Fortschritte in der Robotik erzielt, indem sie Robotergruppen entwickelt haben, die sich wie intelligente Materialien verhalten. Diese Ergebnisse wurden am 20. Februar 2025 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht und zielen darauf ab, die Fähigkeit von Zellen zu imitieren, sich eigenständig anzuordnen und komplexe Strukturen zu formen. Prof. Otger Campàs und Matthew Devlin, die Hauptautoren der Studie, ließen sich von biologischen Prozessen inspirieren, um die Funktionen dieser Roboter zu optimieren.
Die neuartigen Roboter, die das Aussehen kleiner Hockey-Pucks haben, können ihre Form anpassen und unterschiedliche Materialstärken entwickeln. Die Forscher haben dafür drei zentrale biologische Prozesse integriert: aktive Kräfte, biochemische Signalübertragung und Zell-Zell-Haftung. Magnetische Elemente in den Robotern stellen die Haftung zwischen den Einheiten sicher und ermöglichen ein Verhalten, das mit starren Materialien vergleichbar ist. Dynamische Kräfte zwischen den Robotereinheiten unterstützen die Umformung des kollektiven Robotersystems.
Technologische Innovationen im Detail
Ein herausragendes Merkmal dieser Robotergruppe sind die acht motorisierten Zahnräder an jedem Roboter, die für die Interaktion und Rekonfiguration verantwortlich sind. Außerdem kommen Lichtsensoren mit Polarisationsfiltern zum Einsatz, um die Bewegungen der Roboter präzise zu steuern. Aktuell besteht die funktionierende Gruppe aus zwanzig Einheiten, die jedoch skalierbar ist, sodass auch größere Systeme möglich sind. Die potenziellen Anwendungen dieser Technologie sind vielfältig: von Robotermaterialien, die schwere Lasten tragen und Objekte manipulieren, bis hin zu selbstheilenden Materialien.
Die zugrundeliegenden Prinzipien dieser Forschung sind nicht nur auf den Roboterbau beschränkt, sondern spannen einen Bogen zu den aktuellen Entwicklungen in der Materialwissenschaft. So bringen Forschungsansätze die Bereiche Biologie und Technik zunehmend zusammen, wobei biologische Prozesse und Organismen direkt in innovative funktionelle Materialien integriert werden. Die Arbeiten am Fraunhofer-Institut zeigen, dass der Fokus auf der Entwicklung von biomimetischen Materialien liegt, die natürliche Funktionen der Natur im konstruktiven Bereich nachahmen.
Ein zentraler Forschungsaspekt besteht darin, biokompatible und bioaktive Materialien zu schaffen, die gezielte Wechselwirkungen mit menschlichem Gewebe ermöglichen. Fortschritte in der Molekularbiologie, Biotechnologie und Polymerchemie unterstützen diese Bestrebungen und führen unter anderem zu neuen Implantatmaterialien, die eine verbesserte Integration in den menschlichen Organismus versprechen. Das Ziel ist, Irritationen zu minimieren und die Haltbarkeit medizintechnischer Produkte zu verlängern, was eine kostengünstige und patientengerechte Versorgung sicherstellt.
Das Zusammenspiel zwischen technischen und biologischen Systemen wird als entscheidend erachtet, insbesondere im Hinblick auf Anwendungen im Gesundheitssektor. Die Übertragung biologischer Prinzipien auf die Materialwissenschaft ist ein wichtiger Teil der Kreislaufwirtschaft, die geschlossene Materialkreisläufe verfolgt. Diese Strategien umfassen die Substitution fossiler Rohstoffe durch nachwachsende Materialien und die Rückführung von Reststoffen.
Die Entwicklungen im Bereich biointelligenter Materialien passen gut zu den Zielen der High-tech Strategie 2025 der Bundesregierung, die sich auf eine biobasierte Wirtschaft konzentriert. Forscher am Fraunhofer-Institut setzen darauf, integrierte, computergestützte Materialentwicklungen (ICME) zu nutzen, um zukunftsweisende Forschungsziele zu erreichen. Die Zusammenarbeit zwischen den Institutionen verspricht somit vielversprechende Fortschritte in der Entwicklung intelligenter Materialien und Robotertechnologien.
Die Arbeit wurde von der National Science Foundation (NSF) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt, was die Bedeutung der Forschung unterstreicht und darauf hinweist, dass innovative Ansätze in der Robotik und Materialwissenschaft weiterhin integrale Bestandteile der wissenschaftlichen Entwicklung sind. Für weitere Informationen können Sie die Artikel von der Technischen Universität Dresden hier und vom Fraunhofer Institut hier einsehen.