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Physik | Technik
Gabriele Dutli, 2004 | Dietlikon, ZH
In dieser interdisziplinären Arbeit wurde untersucht, ob hygroskopische, biomimetische Bewegungen mit dem 3D-Drucker so nachgeahmt werden können, dass ein Fahrzeug (Hygrobot) kreiert werden kann. Dafür wurde auch das verwendete Holzfilament (Laywood Meta5) analysiert. Mit individualisierten Messgeräten, Computersimulationen, einer Designsoftware und Zeitraffern konnte u.a. gezeigt werden, dass solche Hygrobots möglich sind. Ausserdem konnten einige Anwendungsbeispiele für z.B. die Umweltwissenschaften gezeigt werden. Dieser Erfolg fusst jedoch auf den Erkenntnissen der Messungen des Holzfilaments. Es ergab sich u.a., dass das Filament stark hydrophil ist und dass dessen Elastizität durch die Wasseraufnahme dramatisch steigt.
Fragestellung
Inspiriert von der Natur, wurde in dieser Arbeit versucht, mithilfe eines 3D-Druckers und eines Holzfilaments (Laywood Meta5) hygroskopische Bewegungen zu imitieren. Ziel der Arbeit war es, ein Fahrzeug (Hygrobot) zu 3D-drucken, welches sich durch besagte Bewegungen verformt und effizient fortbewegt. Des Weiteren sollten die Eigenschaften des benutzten Holzfilaments genauer analysiert werden, um dessen Rolle bei der Hygromorphie von Hygrobots genauer zu verstehen. Auch das Potenzial der Technologie sollte aufgezeigt werden.
Methodik
Um das Verhalten des Holzfilaments bei Kontakt mit unterschiedlichen Stimuli auf fundamentaler Ebene zu verstehen, musste dessen chemische Zusammensetzung analysiert und der Einfluss einzelner chemischer Bestandteile geklärt werden. Es wurden Messverfahren und Konzepte der Materialwissenschaften benutzt, um die makroskopischen Veränderungen und wirkenden Kräfte zu beschreiben. Teilweise mussten auch neue Messinstrumente entwickelt werden. Um die gewünschten Hygrobots designen und drucken zu können, wurde mit Computersimulationen (Evolutionäre Algorithmen) und einer Software für individualisierte Druckpfade (FullControl GCode) gearbeitet.
Ergebnisse
Das Konzept «Hygrobot» wurde erfolgreich realisiert. Es konnte ein Hygrobot 3D-gedruckt werden, der sich mit choreografierten, hygromorphen und sequenziellen Bewegungen ca. zwei Zentimeter pro Tag auf unebenem Terrain fortbewegen konnte. Um die Effizienz der Bewegungen zu steigern, wurden in einer zweiten Generation von Hygrobots neue Taktiken vorgestellt. Des Weiteren wurde eine Anleitung für die Herstellung von Hygrobots verfasst und angewendet. Diese reicht von der Simulation bis zum Druck der Hygrobots. Bezüglich Holzfilament konnte die Struktur bis zur molekularen Ebene entschlüsselt werden. Die Zellwände der Holzfasern beinhalten Zellulose und Hemizellulose, die für starke volumetrische Expansionen bei Wassersubmersionen sorgen und Lignin, das für eine tiefe Elastizität (1.85 GPa) und hohe Sprödigkeit und Druckfestigkeit im trockenen Zustand sorgt. Das Filament wird durch das Eintauchen im Wasser neun- bis zehnmal elastischer. Die Holzfasern expandieren vor allem radial, wobei die Wasseraufnahmefähigkeit (0.1-0.9 kg/(m2h0.5)) schnell abnimmt und schon nach sechs Minuten halbiert wird. Qualitativ beobachtet werden konnte auch eine hohe Porosität.
Diskussion
Umfassendere Messungen des Holzfilaments sind nötig, um das Filament genauer charakterisieren zu und realitätsnähere Simulationen erstellen zu können. Der für die Arbeit programmierte Evolutionäre Algorithmus sollte von Grund auf neu geschrieben und die Fehler ausgemerzt werden. Dass Hygrobots tatsächlich praktisch genutzt werden können, müssen sie effizienter und zuverlässiger funktionieren. Dafür wären auch neuartige Fortbewegungsmechanismen denkbar. Eine Demokratisierung der Technologie und Standardisierung der Prozesse, sowie die Automatisierung einiger Produktionsschritte, würden diese Entwicklung beschleunigen. Schliesslich sind Hygrobots von den Fortschritten anderer Technologien, wie kompostierbare Filamente und Sensoren, abhängig.
Schlussfolgerungen
Zu den Vorteilen der Hygrobots, im Gegensatz zu traditionellen robotischen Systemen, zählen deren Energieautarkie, autonome Arbeitsfähigkeit, Skalierbarkeit, biologische Abbaubarkeit, risikofreien/günstigen Einsatz in abgelegenen/gefährlichen Orten, Eignung für die Massenproduktion und geringen Platzverbrauch. Eine mögliche Anwendung wäre das Sammeln von ökologischen Daten eines Ökosystems. Jedoch ist die Technologie noch unerforscht. Ich prognostiziere daher eine vielversprechende Zukunft. Diese Arbeit kann als Grundstein für diese Entwicklung betrachtet werden, da sie ein Verständnis für hygromorphe, 3D-gedruckte Doppelschichten schafft und eine Anleitung für Hygrobots bietet.
Würdigung durch den Experten
Kaspar Löffel
In dieser Arbeit wurde ein kompletter Produktentwicklungsprozess durchgeführt; Resultat ist ein funktionierender energieautarker, biodegradabler Kleinroboter. Hierzu wurden neuste Ergebnisse aus der Spitzenforschung berücksichtigt, Materialverhalten charakterisiert, physikalische Abläufe analytisch und numerisch modelliert, Prototypen gebaut, und die Funktionalität experimentell überprüft. Der entwickelte Mechanismus, «Hygrobot» genannt, bezieht seine Energie aus den Feuchtigkeitsschwankungen der Umgebungsluft. Mehrere konkrete gesellschaftlich hochrelevante Anwendungsfälle werden aufgezeigt.
Prädikat:
hervorragend
Sonderpreis «Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF)» gestiftet von der Gebauer Stiftung
Sonderpreis «European Union Contest for Young Scientists (EUCYS)» gestiftet von der Fondazione Aldo e Cele Daccò
Kantonsschule Zürich Nord
Lehrer: Christian Prim