Magnete für die Fläche

Wer schon einmal versucht hat, mehrere der kleinen, starken W¨¹rfelmagnete unmittelbar nebeneinander an einer Magnetwand zu befestigen, weiss es: Das geht nicht. Stattdessen ordnen sich die Magnete stets in einer S?ule an, die senkrecht von der Magnetwand absteht. Ebenfalls beinahe unm?glich ist es, mehrere Reihen solcher Magnete so aneinanderzuf¨¹gen, dass sich eine Fl?che bildet. Grund daf¨¹r ist, dass Magnete sogenannte Dipole sind. Gleiche Pole stossen sich ab, stattdessen heftet sich immer der Nordpol des einen Magneten an den S¨¹dpol eines anderen. Dadurch bildet sich eine S?ule, in der alle Magnete gleich ausgerichtet sind.

Forschende der ETH Z¨¹rich haben nun w¨¹rfelf?rmige magnetische Bausteine geschaffen, mit denen es erstmals m?glich ist, fl?chige Objekte zu bilden. Die neuen Bausteine ¨C die Forschenden nennen sie Module ¨C sind keine Dipole, sondern Quadrupole. Das heisst, sie haben je zwei Nord- und S¨¹dpole. Im Innern der im 3D-Druck aus Kunststoff gefertigten Module befinden sich je zwei kleine herk?mmliche Dipolmagnete, und zwar so, dass jeweils deren gleiche Pole gegeneinander gerichtet sind (siehe Bild). Diese Bausteine lassen sich schachbrettartig zu beliebigen fl?chigen Objekten zusammenf¨¹gen: Weil sich S¨¹d- und Nordpol jeweils anziehen, hat ein Quadrupol-Baustein, dessen beide S¨¹dpole links und rechts liegen, auf seinen vier Seitenfl?chen als Nachbarn Bausteine, die um 90 Grad gedreht sind, also deren Nordpole links und rechts liegen.

Nach diesem Prinzip fertigten die Forscher farbige Module mit einer Kantenl?nge von gut zwei Millimetern an. Zu Pr?sentationszwecken f¨¹gten sie sie zu ?Pixel-Art?-Emojis zusammen. M?gliche Anwendungen gehen jedoch ¨¹ber diese Spielerei hinaus. ?Interessant scheinen uns vor allem Anwendungen im Bereich Soft Robotics?, sagt Hongri Gu, Doktorand in der Gruppe von ETH-Professor Bradley Nelson und Erstautor der Arbeit, welcher die Wissenschaftler k¨¹rzlich in der Fachzeitschrift externe Seite Science Robotics ver?ffentlichten.

Quadrupol und Dipol zugleich

Der erw?hnte Quadrupol dominiert die magnetischen Eigenschaften der Module. Allerdings ist es ein wenig komplizierter, denn zus?tzlich 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 Bild).

?Dies f¨¹hrt dazu, dass sich die Module wie eine Kompassnadel an einem ?usseren Magnetfeld ausrichten?, erkl?rt ETH-Doktorand Gu. ??ber ein ver?nderbares Magnetfeld ist es somit m?glich, 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.?

Gu sagt, dass es in der Arbeit seiner Gruppe zun?chst darum gegangen sei, das neue Prinzip zu entwickeln. Es sei gr?ssenunabh?ngig, und nichts spreche dagegen, nun sehr viel kleinere Quadrupolmodule zu entwickeln. Ausserdem untersuchen die Forscher, wie man die Module nutzen k?nnte, um eine lineare Struktur mithilfe eines Magnetfelds zu einem mehrdimensionalen Objekt zusammenzuf¨¹gen. Dies liesse sich in Zukunft auch in der Medizin nutzen: Es w?re denkbar, Objekte wie zum Beispiel Stents aus einem mit solchen Modulen best¨¹ckten Faden zu bilden. Diesen Faden k?nnten man vergleichsweise einfach minimal-invasiv ¨¹ber eine nur kleine K?rper?ffnung in den K?rper einf¨¹hren und dann im K?rperinnern mithilfe eines Magnetfelds zur finalen mehrdimensionalen Struktur zusammenf¨¹gen.