Was wäre, wenn man die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils auf Knopfdruck ändern könnte – von weich und flexibel zu starr und stabil, ganz nach Bedarf? Programmierbare Materialien machen genau das möglich. Durch das Elementarzellenkonzept lassen sich mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Verformungsverhalten gezielt und ortsaufgelöst einstellen – und das mit minimalem Energieaufwand.
Adaptive Steifigkeit als Schlüsselfunktion Ein besonders vielversprechendes Merkmal programmierbarer Materialien ist die adaptive Steifigkeit. Sie ermöglicht es, ein Bauteil gezielt von einem weichen, deformierbaren Zustand in einen starren Zustand zu schalten – und umgekehrt. Das Besondere dabei: Nach dem Umschalten bleibt der jeweilige Zustand ohne weiteren Energieaufwand stabil erhalten. Dieses Prinzip des energielosen Haltens einer Form eröffnet völlig neue Möglichkeiten für den Einsatz in robotischen Systemen.
Anwendungsbeispiel: Soft Robotics In der Soft Robotics – einem Bereich, der auf nachgiebige, anpassungsfähige Robotersysteme setzt – können programmierbare Materialien ihre Stärken voll ausspielen. Greifer, Aktuatoren oder bewegliche Strukturen lassen sich so gestalten, dass sie situationsabhängig zwischen Flexibilität und Stabilität wechseln. Das reduziert die Abhängigkeit von konventionellen Antrieben und Sensoren erheblich und macht Systeme leichter, robuster und energieeffizienter.
Ein Material – intelligentes Verhalten Das Besondere: Die beschriebenen Funktionen entstehen nicht durch den Einsatz verschiedener Werkstoffe oder komplexer Mechanismen, sondern allein durch die gezielte Gestaltung der Materialgeometrie. Das vereinfacht nicht nur die Fertigung und Wartung solcher Systeme, sondern legt auch den Grundstein für nachhaltigere Lösungen: Monowerkstoff-Bauteile lassen sich am Ende ihrer Lebensdauer deutlich einfacher recyceln als Verbundkonstruktionen.
Demonstrator: Adaptive Steifigkeit (© Fraunhofer CPM)
