Metafluide: Wir hatten von ihnen gehört, aber es war noch niemandem gelungen, sie so wirklich programmierbar und anpassungsfähig zu machen wie ihre soliden „Cousins“, die Metamaterialien. Zumindest bis heute. Ein Team am Harvard SEAS hat das erste Metafluid entwickelt, das seine wichtigsten physikalischen Eigenschaften auf Befehl ändern kann und damit den Weg für unzählige revolutionäre Anwendungen in Bereichen wie Robotik und Optik ebnet.
Eine Flüssigkeit mit „Superkräften“
Forscher unter der Leitung von Adel Djellouli e Katia Bertoldi hat dieses innovative Metafluid entwickelt, indem Hunderttausende winzige, mit Luft gefüllte Elastomerkapseln in Silikonöl suspendiert wurden. Wenn der Druck in der Flüssigkeit steigt, kollabieren diese Kugeln mit einer Größe von 50 bis 500 Mikrometern in sich selbst und nehmen die Form einer halben Linse an. Durch Wegnahme des Drucks nehmen die Kapseln wieder ihre ursprüngliche Kugelform ein.
Gerade dieser Übergang verleiht der Flüssigkeit überraschende Eigenschaften. Durch Variation der Anzahl, Dicke und Größe der Kapseln können Parameter wie Viskosität, Kompressibilität und sogar Opazität der Flüssigkeit „abgestimmt“ werden. Ein echter „Schalter“, um das Metafluid wie gewünscht zu transformieren.
Programmierbares Metafluid: flüssige, intelligente und sensorlose Robotik
Um das Potenzial ihres programmierbaren Metafluids zu demonstrieren, testeten die Forscher es an einem hydraulischen Robotergreifer, der Objekte mit sehr unterschiedlicher Form und Widerstandsfähigkeit greifen ließ: eine Glasflasche, ein Ei und eine Blaubeere. Um den Griff an solch unterschiedliche Objekte anzupassen, ohne diese zu beschädigen, wären normalerweise externe Sensoren oder Steuerungen für ein hydraulisches System erforderlich.
Mit dieser „intelligenten“ Flüssigkeit ist all das nicht nötig. Die Flüssigkeit selbst reagiert autonom auf die unterschiedlichen Drücke und variiert ihre Nachgiebigkeit, um die Greifkraft je nach Objekt zu regulieren. Ein erster Schritt hin zu vielseitigeren und anpassungsfähigeren Robotern, ohne dass zusätzliche Programmierung erforderlich ist.
Transparenz auf Befehl und andere Wunder
Damit sind die Überraschungen aber noch nicht zu Ende. Das Harvard-Team fand heraus, dass das Metafluid als Reaktion auf Druck auch seine optischen Eigenschaften ändert. Wenn die Kapseln kugelförmig sind, streuen sie das Licht und machen die Flüssigkeit undurchsichtig, genau wie Luftblasen in Mineralwasser. Werden sie jedoch zusammengedrückt, wirken sie wie Mikrolinsen, bündeln das Licht und machen die Flüssigkeit transparent.
Darüber hinaus verhält sich das Metafluid im Ruhezustand wie eine Newtonsche Flüssigkeit, wobei die Viskosität nur von der Temperatur beeinflusst wird. Wenn die Kugeln jedoch kollabieren, wird es nicht-newtonsch: Je stärker es „Scherkräften“ ausgesetzt ist, desto mehr gleitet es. Es ist das erste Metafluid, das von einem Zustand in einen anderen übergehen kann.
Metafluido, eine Zukunft voller Versprechen
Wir stehen erst am Anfang einer faszinierenden Reise. Nach dieser Recherche (dass ich dich hier verlinke) erforscht das Harvard-Team bereits andere Eigenschaften ihres Metafluids, beispielsweise akustische und thermodynamische. Und die potenziellen Anwendungen sind vielfältig: von hydraulischen Aktuatoren bis hin zu programmierbaren Robotern, von intelligenten Stoßdämpfern, die je nach Intensität des Aufpralls Energie ableiten können, bis hin zu optischen Geräten mit variabler Transparenz.
Ein flüssiges Material, das die Vorteile von Metamaterialien mit der Fähigkeit verbindet, sich an die Form des Behälters anzupassen. Eine Revolution, die durch einen ebenso einfachen wie genialen Ansatz ermöglicht wurde: das Aufhängen einer Vielzahl von „Akkordeon“-Kapseln in einer Flüssigkeit.
Der Schlüssel, um eine Flüssigkeit mit Superkräften zum Leben zu erwecken, die bereit ist, die Welt der Robotik, Optik und vielem mehr zu verändern.
