Verschmutzung in Roboter umwandeln
Jedes Jahr entstehen bei der Erdölraffination zehn Millionen Tonnen elementaren Schwefels als Nebenprodukt. Der Großteil dieses Schwefels wird in riesigen Blöcken in der Nähe von Raffinerien gelagert oder in begrenzte industrielle Anwendungen wie die Düngerproduktion verwendet. Dies stellt eines der sichtbarsten Abfallwirtschaftsprobleme der Ölindustrie dar.
Ein südkoreanisches Forschungsteam hat einen Weg gefunden, diesen Industrieabfallstrom in selbstbewegende, vollständig recycelbare Weichroboter umzuwandeln. Mit einer zum ersten Mal demonstrierten 4D-Druckmethode hat das von Dr. Dong-Gyun Kim des Korea Research Institute of Chemical Technology, Professor Jeong Jae Wie der Hanyang University und Professor Yong Seok Kim der Sejong University geleitete Team eine neue Materialklasse entwickelt, die Nachhaltigkeit und Spitzenrobotertechnik auf unerwartete Weise kombiniert.
Was ist 4D Druck?
Der Standard 3D-Druck erzeugt statische Objekte — Formen, die nach dem Druckprozess fixiert sind. 4D-Druck fügt eine vierte Dimension hinzu: Zeit. Mit 4D-Druck erstellte Objekte sollen ihre Form, Struktur oder Eigenschaften nach der Herstellung ändern, wenn sie bestimmten Umweltreizen ausgesetzt sind. Das Ergebnis ist ein gedrucktes Objekt, das kein fertiges Produkt ist, sondern ein programmiertes Material, das dynamisch auf seine Umwelt reagiert.
Das südkoreanische Team ermöglichte dies durch die Konstruktion einer neuen Klasse von schwefelhaltigen Polymeren namens poly(phenylenpolysulfid)-Netzwerke oder PSN. Diese Polymere werden aus elementarem Schwefel und kleinen aromatischen Molekülen durch eine Reaktion namens inverse vulcanization synthetisiert — ein Prozess, der Schwefels instabile, kristalline Form in ein stabiles, amorphes Polymer mit programmierbaren mechanischen Eigenschaften umwandelt.
Wie sich die Roboter bewegen
PSN-Materialien sind stimuli-responsive — sie ändern ihre physikalischen Abmessungen oder ihr mechanisches Verhalten, wenn sie äußeren Reizen ausgesetzt sind. Das Team zeigte die Reaktion auf drei verschiedene Reize: Wärme, Licht (durch photothermal conversion) und Magnetfelder bei Vermischung mit magnetischen Nanopartikeln.
Durch die Gestaltung der Geometrie von 4D-gedruckten PSN-Strukturen und die Auswahl, wo verschiedene Materialzusammensetzungen in diesen Strukturen platziert werden, können Forscher spezifische Verformungssequenzen programmieren — der Roboter krümmt sich bei Erhitzung, streckt sich bei Abkühlung, beugt sich zu einem Magnetfeld. Diese programmierten mechanischen Verhaltensweisen, kombiniert mit der Kapazität des Materials für große reversible Verformung, erzeugen autonome Bewegung, wenn der Roboter in eine geeignete Umgebung gebracht wird.
Der Recyclingvorteil
Eine der kommerziell und ökologisch bedeutendsten Eigenschaften von PSN-basierten Weichrobotern ist ihre Recycelbarkeit. Im Gegensatz zu konventionellen elastomers, die in der Weichrobotik verwendet werden, enthalten PSN-Netzwerke dynamische kovalente Schwefel-Schwefel-Bindungen, die unter geeigneten Bedingungen gelöst und neu gebildet werden können. Ein beschädigter oder am Ende seiner Lebensdauer stehender PSN-Roboter kann gelöst, aufbereitet und ohne signifikanten Materialverlust neu gedruckt werden — ein wirklich zirkulärer Materiallebenszyklus.
Die Kombination eines abfallgestützten Rohstoffs und eines recycelbaren Materiallebenszyklusgibt der PSN-Plattform ein in der Materialforschung ungewöhnliches Nachhaltigkeitsprofil. Die meisten hochleistungsfähigen Materialien enthalten seltene oder schwer zu recycelnde Komponenten; der PSN-Ansatz schafft Leistung aus einem reichlich vorhandenen Abfallstrom und bewahrt das Material in einer wiedergewinnbaren Form über den gesamten Produktlebenszyklus.
Potenzielle Anwendungen
Weichrobotik — Roboter, die aus nachgiebigen, verformbaren Materialien anstelle von starren Strukturen gebaut sind — haben Anwendungen, wo konventionelle Roboter ungeeignet sind. Minimalinvasive medizinische Geräte, die durch Körperhöhlen navigieren, Greifer, die empfindliche Gegenstände ohne Schäden handhaben, Inspektionsroboter, die durch unregelmäßige enge Räume führen, und Such- und Rettungsroboter, die sich verformen, um durch Trümmer zu passen, sind alle aktive Entwicklungsbereiche der Weichrobotik. Die autonome Reaktionsfähigkeit der PSN-Plattform auf Umweltreize, kombiniert mit ihrer Recycelbarkeit und ihrem abfallgestützten Rohstoff, positioniert sie als potentiell bedeutende Beitrag zu diesem Bereich.
Dieser Artikel basiert auf Berichterstattung von Interesting Engineering. Lesen Sie den ursprünglichen Artikel.
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