Logik aus dem 3D-Drucker

Forscher aus den USA realisieren logische Schaltungen mit 3D-Druck. Die „Embodied Logic“ kann unter vordefinierten Bedingungen Mechanismen auslösen – ganz ohne Stromversorgung.

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(Bild: University of Pennsylvania )

Von
  • Cosima Ermert

Zur Erkundung unzugänglicher Umgebungen wurden bisher meist Geräte genutzt, die per Batterie mit Strom versorgt werden, zum Beispiel Sonden zur Aufklärung auf dem Meer, in Höhlensystemen oder engen Rohrleitungen. Hohes Gewicht der Batterie und begrenzte Akkulaufzeiten schränken die Einsatzmöglichkeiten jedoch stark ein.

Eine Lösung für dieses Problem haben Wissenschaftler der University of Pennsylvania gefunden: Sie haben smarte Strukturen entwickelt, die unter bestimmten Umständen ihre Form verändern – ganz ohne Strom oder Motoren. Die Strukturen lassen sich mit einem 3D-Drucker herstellen.

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Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Inspiriert wurde das Forscherteam unter Assistenzprofessor Jordan Raney von der Natur. Venusfallen schnappen zu, um ihre Beute zu fangen. Bei Fehlalarm und nach dem Verdauen öffnen sie sich wieder. Das ist simple if/then-Logik, wie man sie aus der Informatik kennt.

Solche programmierbare Strukturen können nun gedruckt werden. Sie sind aufgrund ihrer Geometrie bistabil, können also in zwei verschiedenen Zuständen auf unbestimmte Zeit verharren, und reagieren auf vordefinierte Außeneinflüsse, indem sie zwischen den Zuständen wechseln.

Die Strukturen sind durch ihre Gitterstruktur komprimierbar. Der komprimierte Zustand ist so stabil, dass sie sich nicht ohne von außen zugeführte Energie wieder entspannen. Die dabei zusammengedrückten Gitterelemente bestehen aus Hydrogelen, die bei Kontakt mit Wasser aufquellen. Eine Alternative sind Silikone, die ihr Volumen vergrößern, wenn sie mit Flüssigkeiten auf Ölbasis in Berühung kommen. Dadurch kommt es zu einer gerichteten Ausbreitung, die Strukturen springen wie eine Feder auf und können Mechanismen anstoßen. Aktuell funktioniert das jedoch nur in eine Richtung: die Ausdehnung. Um die Logikelemente wieder in den komprimierten Ausgangszustand zu überführen, müssen die Figuren wieder zusammengedrückt werden.

Laut den Forschern lassen sich beliebig komplizierte Logikschaltungen durch Verschachtelungen der Elemente erstellen. Eine Anwendungsmöglichkeit sind beispielsweise schwimmende Behälter, die sich automatisch öffnen und Proben nehmen, wenn das Wasser mit Öl verschmutzt ist. Mit entsprechend reagierenden Materialien könnte auch eine Sensibilität für Wärme oder Licht realisiert werden. Durch eine Kombination mehrerer Elemente sei auch eine mechanische Verschlüsselung möglich, so die Forscher: Denkbar wäre eine Box, die sich nur durch eine Reihe richtig getimter äußerer Einflüsse – eine bestimmte Temperatur, Lichteinfall, Zugabe einer chemischen Lösung - öffnen lässt. Bei einer falschen Sequenz bliebe die Box verriegelt.

Sowohl die chemischen als auch die geometrischen Eigenschaften dieser Logikelemente sind skalierbar. Mikroskopische Strukturen wären beispielsweise für das Forschungsfeld der Mikrofluidik sinnvoll.

Solche Objekte aus dem 3D-Drucker, die sich eigenständig verändern können, werden unter dem Begriff „4D-Druck“ zusammengefasst. Unterschiedliche Universitäten erforschen diese Technologie. Beispielsweise hat das MIT Materialien entwickelt, die sich durch Schütteln zu geordneten Strukturen zusammensetzen. Künstliche Pflanzen, die selbstständig erblühen oder sich schließen, werden an der Victoria University of Wellington in Neuseeland gedruckt.

Forscher des Georgia Institute of Technology haben Kunststoffe gedruckt, die durch Hitze permanent eine neue Form einnehmen und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik hat programmierbare Materialien realisiert, die unter normaler Belastung weich sind, bei hoher Belastung aber verhärten.

(anwe)