Forscher der Jiangsu-Universität haben eine lichtresponsive weiche robotische Plattform auf Basis von Flüssigkristallelastomeren (LCEs) entwickelt, die durch hierarchische und topologische Strukturprogrammierung programmierbares Klettern und Formwandlungsbewegungen ermöglicht. Die am 11. Oktober 2025 in der Zeitschrift Chinese Journal of Polymer Science veröffentlichte Arbeit zeigt, wie die Steuerung der Molekülorientierung und Topologie Bewegungsmuster wie Rollen, Straffen, Fortbewegung und Selbstverriegelung in weichen robotischen Systemen freisetzen kann.
Die Studie präsentiert eine hierarchische Designstrategie, die LCEs in programmierbare Strukturen mit reversibler Helix-Ebene-Transformation, NIR-gesteuertem Klettern und topologieabhängigen Verriegelungsverhalten umwandelt. Durch die Integration photothermisch responsiver Silbernanodrähte und mechanisch vorausgerichteter LCEs erreichen die Aktoren Fernbedienung, geländeadaptives Greifen und sogar koalaartiges Stangenklettern. Die Forscher stellten LCE-Filme über eine zweistufige Thiol-Acrylat-Reaktion her und führten eine helikale Vorprogrammierung mit bis zu 1000 % Dehnung ein, was die durch Kleinwinkel-Röntgenstreuungsmuster verifizierte Molekülausrichtung deutlich verbesserte.
Eine dreischichtige Struktur (AgNW/LCE/PI) verbesserte die NIR-Absorption durch lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz und ermöglichte effiziente photothermisch-mechanische Umwandlung. Diese Materialien zeigten reversibles Helix-zu-Ebene-Schalten, was das Greifen von Objekten über multi-terrestrische Plattformen wie Höhlen, Hänge und Schluchten ermöglichte. Unter Beleuchtung zieht sich der Aktor mit kontrollierbaren Biegewinkeln und stabiler Zyklusleistung zusammen. Ein rankenartiger Aktor erreichte lichtgetriebenes Klettern durch sequentielle Kontraktion von Schwanz-Körper-Kopf-Regionen, angetrieben durch wandernde Temperaturgradienten während des NIR-Scannens, wobei Infrarotbildgebung den koordinierten Wärmetransfer beim Klettern an vertikalen Stangen bestätigte.
Das Team führte weiterhin Möbius-Topologieprogrammierung ein, bei der 180°-Verdrehungsstrukturen reversible Aktuation ermöglichten, während 360°-Verdrehungen selbstverriegelnde Verformungen erzeugten, die je nach Beleuchtung konzentrische Ringe oder „8-förmige“ Zustände bildeten. Basierend auf diesem Mechanismus wurde ein koalainspiriertes Klettergerät entwickelt, das etwa 5–7 mm pro Zyklus vorankommen und geneigte Stangen erklimmen kann, selbst wenn es mit 1,6 g beladen ist. Die Autoren betonen, dass der entscheidende Durchbruch in der Integration von Molekülorientierungsprogrammierung mit lichtgetriggerter topologischer Aktuation liegt, und merken an, dass hierarchische LCE-Strukturen Aktuationsmodi ermöglichen, die für konventionelle weiche Robotik bisher unzugänglich waren.
Dieses Design zeigt, wie Strukturprogrammierung auf molekularer und geometrischer Ebene Formwandlungsverhalten freisetzt, das biologischen Ranken und Tieren ähnelt. Die Forscher glauben, dass der Ansatz einen allgemeinen Rahmen für die Gestaltung zukünftiger weicher robotischer Systeme bietet, die komplexe dreidimensionale Umgebungen navigieren können. Die Studie präsentiert eine skalierbare Strategie für weiche Robotik der nächsten Generation, bei der ein einziges Materialsystem klettern, greifen, verankern und rekonfigurieren kann, ohne Elektronik oder starre Aktoren. Potenzielle Anwendungen umfassen Rohrleitungsinspektion, minimalinvasive chirurgische Instrumente, Umweltexploration und Mikromanipulation unter NIR-Führung.
Die programmierbare Möbius-Topologie bietet einen neuen Weg für mechanischen Speicher und Verriegelungsstrukturen, der energieeffiziente Fortbewegung und entfaltbare Geräte ermöglicht. Zukünftige Entwicklungen könnten sich auf die Integration von Sensormodulen, die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und die Erweiterung des Betriebs auf kabellose autonome Plattformen konzentrieren. Die Arbeit unterstreicht, wie bioinspirierte Strukturlogik LCEs in adaptive robotische Systeme transformieren kann. Die Forschung ist im Zeitschriftenartikel unter https://doi.org/10.1007/s10118-025-3418-3 dokumentiert.
