Additive Formgebung für komplexe Habitate

Im Projekt Biotubes wurden der Formgebungsprozess und vor allem die Nährstoffversorgung der dreidimensionalen Habitate für Mikroorganismen wie Pilze, Algen und Bakterien entscheidend weitergedacht. Zu diesem Zweck wurde ein additives Formgebungsverfahren, das Rapid Liquid Bio Printing entwickelt, das die Herstellung permeabler und insbesondere hohler Röhrenstrukturen aus Hydrogelen ermöglicht. Anders als beim klassischen Pastendruck wird das Material in diesem Verfahren nicht an der Luft schichtweise auf eine Druckplatte aufgetragen, sondern direkt in eine Gelmatrix aus Alginat gespritzt. Die Gelmatrix stützt dabei die gedruckte Struktur und hält sie formstabil. Das ermöglicht den Druck komplexer, dreidimensionaler Geometrien, die mit herkömmlichen Methoden kaum zu realisieren wären – non-planar und ganz ohne Stützstrukturen. Bei Kontakt der Druckpaste mit dem Hydrogel beginnt eine chemische Reaktion, die zu dessen Polymerisation, einer Verhärtung des Materials, führt – und zwar ausschließlich an den Kontaktflächen. Nach wenigen Minuten kann die gedruckte Struktur aus dem Gelbett entnommen werden. Je länger mit der Entnahme gewartet wird und die Reaktion anhält, desto dicker wird die Wandung der Röhren. Beim anschließenden Autoklavieren, einer Sterilisation mit heißem Wasserdampf, wird die verbleibende Druckpaste komplett aus der Struktur herausgewaschen, sodass eine hohle Röhrenstruktur zurückbleibt. 

Diese permeablen Strukturen sind vergleichbar mit vaskulären Systemen, die eine präzise Steuerung der Nährstoffversorgung und der Sauerstoffzufuhr zur Zellbesiedlung ermöglichen. So können Mikroorganismen, die auf der Oberfläche der Röhrenstruktur aufgebracht werden, während des gesamten Wachstumsprozesses von innen mit passenden Flüssigmedien versorgt werden. Das löst nicht nur das Problem der Nährstoffversorgung, das bereits im Projekt Symbiotic Subjects erkannt wurde, sondern behebt auch die Limitierungen in der Herstellung von lebenden Materialien mit besonders dicken Materialstärken. Auf diese Weise lassen sich auf den Biotubes nicht nur die unterschiedlichsten Mikroorganismen zu dreidimensional gewachsenen Materialien heranzüchten, sondern auch deren Eigenschaften wie Festigkeit, Elastizität, Textur und Ästhetik beeinflussen und gestalten.

Vom lebenden Material zum Schuh

Anknüpfend an die Forschungsprojekte Habitat und Re/boot stellte das BioLab-Team den modularen Schuh als exemplarische Anwendung ins Zentrum des Biotubes-Projektes.

Die neuen Formgebungsmöglichkeiten des 3D-Gel-Drucks, die gezielte Auswahl von Mikroorganismen nach ihren Eigenschaften sowie die Steuerung der Wachstumsprozesse eröffnen die Chance, lebende Materialien mit einer großen Bandbreite an Materialitäten herzustellen. Durch das Zusammenstecken oder direkte Ineinanderdrucken mehrerer Schlauchsysteme kann in einem einzigen Objekt eine räumlich differenzierte Kultivierung stattfinden. Auf diese Weise entsteht eine Multimaterialität, die es ermöglicht, den unterschiedlichen funktionalen Anforderungen des Produkts gerecht zu werden. 

Biotubes im Dialog mit Wissenschaft und Öffentlichkeit

Neben der praktischen Arbeit an dem Projekt traten die BioLab-Mitarbeitenden nicht nur bei Ausstellungen, wie im Rahmen des Wissenschaftsfestivals Silbersalz im November 2024, in den Diskurs mit wissbegierigen Besucher*innen, sondern stießen insbesondere bei Präsentationen vor Fachpublikum auf das breite Interesse der Wissenschaftler*innen. Um externen Forschungsteams die Möglichkeit zu geben, eigene Experimente mit den Biotubes durchzuführen, entwickelten die Mitarbeitenden des BioLab ein Kit mit einfachen Teststrukturen, das sie bereits einigen Arbeitsgruppen zur Verfügung stellten.

Im Fall des Schuhs verdeutlicht das Projekt das große Potenzial dieser Art der Gestaltung lebendiger Produkte: Die Außensohle könnte an besonders beanspruchten Stellen durch die Aktivität biomineralisierender Bakterien verstärkt werden, während an den Flexzonen weiche, flexible Myzelstrukturen für die nötige Beweglichkeit sorgen. Eine Einlegesohle würde aus einem weicheren, stoßdämpfenden, extra voluminös gezüchteten Pilzmyzel wachsen, das sich wie memory foam individuell an den Fuß anpasst. Für die optimale Federung beim Gehen würde eine atmungsaktive Zwischensohle mit einer elastischen, schaumähnlichen Struktur sorgen. Farbstoffproduzierende Mikroalgen würden das Obermaterial des Schuhs besiedeln und ästhetische Muster und Farbverläufe entstehen lassen. 

Die Arbeit mit lebenden Materialien verdeutlicht, dass Gestaltung künftig verstärkt interdisziplinär an der Schnittstelle von Biotechnologie, Materialforschung und Produktdesign stattfinden wird. Für Gestalter*innen ergibt sich damit die Möglichkeit, den Wandel hin zu zirkulären und ressourcenschonenden Produktionsweisen entscheidend mitzuprägen.

Rapid Liquid Bio Printing

Das Rapid Liquid Bio Printing-Verfahren, als additives Fertigungsverfahren zum 3D-Druck der Biotubes-Strukturen, wurde im BioLab entwickelt und auf einem für die Extrusion von Pasten modifizierten 3D-Drucker erprobt. Um den Druck größerer Objekte und komplexerer Geometrien zu ermöglichen und die Herstellungsabläufe zu beschleunigen, wurde das Verfahren in Zusammenarbeit mit dem XLab für die Nutzung am Roboter adaptiert. Hierzu entwickelte das XLab eine Steuerungssoftware, mit der die 3D-Geometrien der Biotubes direkt in Programmbefehle für die Robotersteuerung übersetzt werden können. 

Die 3D-Datensätze zur Herstellung der Biotubes-Strukturen können in klassischer 3D-Modellierungssoftware erstellt oder mit Programmen zur parametrischen Gestaltung generativ erzeugt und angepasst werden. Mittels eigens entwickelter Skripte wird das 3D-Modell dann in eine fortlaufende Linie übersetzt, die vom Roboter in einer fließenden Bewegung angefahren werden kann. Im Druckprozess entsteht durch die präzise Abstimmung der Materialextrusion auf die Roboterbewegung eine durchgängige, nahtlose Schlauchstruktur.

Als Druckwerkzeug am Roboterarm wurde ein Pastenextruder speziell für den Druck von Hydrogelen angepasst und mit einer langen Kanüle zur Materialextrusion im Gelbett ausgerüstet. Die Extrusionsgeschwindigkeit der Druckpaste kann durch ein Druckluftsystem präzise geregelt werden. Weitere Prozessparameter, wie z. B. die Eintauchgeschwindigkeit, Höchstgeschwindigkeiten oder die geometrieabhängige Ausrichtung des Werkzeugs werden ebenfalls über die Software kontrolliert.

Die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien und Materialkonsistenzen erfordert eine laufende Weiterentwicklung des Druckprozesses und der Prozessparameter. Materialspezifische Eigenschaften im Prozess wie z. B. Schrumpfung, Ausdehnung oder Fließeigenschaften können dabei sowohl durch Anpassungen der Robotersteuerung und der 3D-Datensätze als auch durch die Veränderung der Materialeigenschaften ausgeglichen werden. 

Das Robotic Liquid Bio Printing in den BurgLabs steht damit stellvertretend für einen interdisziplinären Forschungsansatz, in dem Materialforschung, biologische Wachstumsprozesse, robotische Präzision und parametrisches Design im gestalterischen Formgebungsprozess miteinander in einen produktiven Dialog treten.