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Magnetische Bausteine

Für Softroboter: Magnete mit vier Polen

| Autor/ Redakteur: Dr. Fabio Bergamin* / Christian Lüttmann

Flächen aus Würfelmagneten sind normalerweise ein Ding der Unmöglichkeit. Doch Forscher der ETH Zürich haben nun kleine Magnetmodule entwickelt, die vier statt zwei Pole haben und sich damit auf neuartige Weise zu Flächen oder 3D-Strukturen kombinieren lassen. Interessant sind diese Bausteine z.B. für flexible Roboter, da sie sich auch über ein externes Magnetfeld steuern lassen.

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Abb.1: Dipolmagnet und Quadruoplmodul im Schema
Abb.1: Dipolmagnet und Quadruoplmodul im Schema
(Bild: Gu H et al. Science Robotics 2019)

Zürich/Schweiz – Wer schon einmal versucht hat, mehrere kleine, starke Würfelmagnete unmittelbar nebeneinander an einer Magnetwand zu befestigen, der weiß: Das geht nicht. Stattdessen ordnen sich die Magnete in einer Säule an, die senkrecht von der Magnetwand absteht. Ebenfalls beinahe unmöglich ist es, mehrere Reihen solcher Magnete so aneinanderzufügen, dass sie eine Fläche bilden.

Grund dafür ist, dass Magnete so genannte Dipole sind. Gleiche Pole stoßen sich ab, stattdessen heftet sich immer der Nordpol des einen Magneten an den Südpol eines anderen. Dadurch bildet sich eine Säule, in der alle Magnete gleich ausgerichtet sind.

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Von Pixelart bis Soft-Robotics

Forscher der ETH Zürich haben nun würfelförmige magnetische Bausteine geschaffen, mit denen es erstmals möglich ist, flächige Objekte zu bilden. Die neuen Bausteine – die Forscher nennen sie Module – sind keine Dipole, sondern Quadrupole. Das heißt, sie haben je zwei Nord- und Südpole.

Die Module sind aus Kunststoff 3D-gedruckt und enthalten im Inneren je zwei kleine herkömmliche Dipolmagnete, und zwar so, dass jeweils deren gleiche Pole gegeneinander gerichtet sind (siehe Abbildung 1). Diese Bausteine lassen sich schachbrettartig zu beliebigen flächigen Objekten zusammenfügen. Mit seinen vier Polen hat ein Quadrupolbaustein dessen beide Südpole links und rechts liegen, vier Nachbarn. Diese liegen jeweils um 90 Grad gedreht an den vier Seiten des Bausteins an, also mit ihren Nordpolen links und rechts.

Nach diesem Prinzip fertigten die Forscher farbige Module mit einer Kantenlänge von gut zwei Millimetern an. Zu Präsentationszwecken fügten sie sie zu „Pixel-Art“-Emojis zusammen (s. Abbildung 2). Mögliche Anwendungen gehen jedoch über diese Spielerei hinaus. „Interessant scheinen uns vor allem Anwendungen im Bereich Soft Robotics“, sagt Hongri Gu, Erstautor der Arbeit.

Quadrupol und Dipol zugleich

Der erwähnte Quadrupol dominiert die magnetischen Eigenschaften der Module. Allerdings ist es ein wenig komplizierter, denn zusätzlich zum starken Quadrupol konzipierten die Forscher in den Bausteinen einen schwachen Dipol. Dies erreichten sie, indem sie die ins Modul eingebetteten kleinen Magnete nicht parallel zueinander, sondern leicht abgewinkelt anordneten (siehe Abbildung 3).

„Dies führt dazu, dass sich die Module wie eine Kompassnadel an einem äußeren Magnetfeld ausrichten“, erklärt ETH-Doktorand Gu. „Über ein veränderbares Magnetfeld ist es somit möglich, die aus den Modulen gebauten Objekte zu bewegen. In Kombination mit flexiblen Verbindungen kann man gar Roboter bauen, die sich durch ein Magnetfeld steuern lassen.“

Selbstaufbauende Stents als Zukunftsausblick

Gu sagt, dass es in ihrer Arbeit zunächst darum gegangen sei, das neue Prinzip zu entwickeln. Es sei größenunabhängig, und nichts spreche dagegen, noch sehr viel kleinere Quadrupolmodule zu entwickeln.

Außerdem untersuchen die Forscher, wie man die Module nutzen könnte, um eine lineare Struktur mithilfe eines Magnetfelds zu einem mehrdimensionalen Objekt zusammenzufügen. Dies ließe sich in Zukunft auch in der Medizin nutzen: Es wäre denkbar, Objekte wie zum Beispiel Stents aus einem mit solchen Modulen bestückten Faden zu bilden, wie die Forscher sagen. Diesen Faden könnte man vergleichsweise einfach minimal-invasiv über eine nur kleine Körperöffnung in den Körper einführen und dann im Körperinnern mithilfe eines Magnetfelds zur finalen mehrdimensionalen Struktur zusammenfügen.

Originalpublikation: Gu H, Boehler Q, Ahmed D, Nelson BJ: Magnetic quadrupole assemblies with arbitrary shapes and magnetizations, Science Robotics, 30 Oct 2019: Vol. 4, Issue 35; DOI: 10.1126/scirobotics.aax8977

* Dr. F. Bergamin, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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