Forschende des Adolphe-Merkle-Instituts und der Case Western Reserve University (Cleveland, USA) haben sich von Regenwürmern inspirieren lassen und einen Softroboter entwickelt, der in der Lage ist, in kleine Hohlräume vorzudringen und sich auf beliebigen Oberflächen in alle Richtungen fortzubewegen.

Roboter, die weich sind und in ihren mechanischen Eigenschaften und ihrer Form Würmern ähneln, können im Prinzip durch unebenes Gelände und engste Räume kriechen, die anderen Robotern nicht zugänglich sind. Solche Geräte könnten eine Vielzahl verschiedenster Funktionen wahrnehmen, von Such- und Rettungsaktionen über biomedizinische Verfahren wie Endo- und Koloskopie bis hin zur unterirdischen Erkundung und Kanalinspektion.

Im Gegensatz zur wirbellosen Spezies, an die sie angelehnt sind, enthalten die meisten Roboter dieser Art harte Teile wie beispielsweise Motoren, was gewisse mechanische Einschränkungen zur Folge hat. Um hier Abhilfe zu schaffen, haben die Forschenden der Gruppe Polymerchemie und Materialien am Adolphe-Merkle-Institut zusammen mit einem Team der Case Western Reserve University (Cleveland, USA) einen höchstflexiblen Roboter entwickelt, dessen Körper komplett modular aufgebaut ist und fast nur aus weichen Polymeren besteht.

Temperaturunterschiede aktivieren den Wurm
Das Gerät besteht aus Segmenten, die ihrerseits aus doppelschichtigen Polymer-Aktuatoren zusammengesetzt sind, und welche unter Einwirkung von Wärme ihre Form verändern. Die Segmente können einzeln elektrisch erhitzt und somit aktiviert werden, was eine hochpräzise Steuerung der Bewegungen des Roboters möglich macht. Die Vorwärtsbewegung erfolgt wie bei einem Regenwurm durch das abwechselnde Zusammenziehen und Ausdehnen seiner verschiedenen Segmente. Dank dieser Funktionsweise gelingt es dem Roboter, sich durch Zwischenräume zu zwängen, deren Durchmesser kleiner sind als der seines Körpers im Ruhezustand.

Technik muss noch weiterentwickelt werden
Im aktuellen Entwicklungsstand ist der Wurmroboter noch extrem langsam und seine Bewegungen erfordern grosse Mengen Energie. Das wissenschaftliche Team bleibt jedoch optimistisch: Der modulare Aufbau des Roboters soll es ermöglichen, dessen Leistungen durch den Einsatz schnellerer und sparsamerer Aktuatoren zu steigern. In der aktuellen Version wird der Roboter zudem von einer externen Quelle mit Strom versorgt und gesteuert; durch die Integration elastischer Batterien und autonomer Steuerungssysteme könnte er jedoch davon unabhängig werden.

Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts wurden in der führenden Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Die Arbeit wurde gemeinsam finanziert von den wissenschaftlichen Nationalfonds der USA und der Schweiz im Rahmen des PIRE-Programms (Partnerships for International Research and Education) «Bioinspirierte Systeme und Materialien».

Muff, L. F.; Mills, A. S.; Riddle, S.; Buclin, V.; Roulin, A.; Chiel, H. J.; Quinn, R. D.; Weder, C.; Daltorio, K. A. Modular Design of a Polymer-Bilayer-Based Mechanically Compliant Worm-like Robot. Advanced Materials 2023, 34, 2210409. https://doi.org/10.1002/adma.202210409.