Forschung : Soft Robotics und 3D-gedrucktes Glas für den Bau

Kaitlyn Becker ist Assistant Professor am Department of Mechanical Engineering des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und leitet dort das „Fabrication-Integrated Design Lab“. Im Rahmen der MIT Europe Conference 2025 in Wien stellte sie ihre Forschung zu Manufacturing-Integrated Design vor – einem systemischen Ansatz, der die enge Verbindung von Produktentwicklung und Fertigungsprozessen in den Fokus rückt. Becker erklärte dabei, wie dieser Ansatz Innovationen in der Robotik und der Baustoffentwicklung ermöglicht und welche Potenziale sie insbesondere für die Bauwirtschaft sieht.

Ein zentrales Prinzip von Kaitlyn Beckers Arbeit ist die gleichzeitige Betrachtung von Design und Produktion. 

Die klassische Trennung – hier der Entwurf, dort die industrielle Umsetzung – hält sie für überholt, zumindest wenn es um komplexe oder innovative Anwendungen geht. 

Becker: „Ich arbeite an Fragestellungen, die sich genau an der Schnittstelle von Maschinendesign und Fertigung bewegen. Ich habe festgestellt, dass sich viele technische Herausforderungen nur lösen lassen, wenn man beide Seiten gleichzeitig betrachtet – und die Auswirkungen von Designentscheidungen auf die Produktion mitdenkt.“

Diese Denkweise zieht sich durch zwei zentrale Forschungslinien in ihrem Labor: die Entwicklung weicher Robotiksysteme (Soft Robotics) und die additive Fertigung mit geschmolzenem Glas.

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Soft Robotics ist ein vergleichsweise junges Forschungsfeld, das Roboter mit weichen, flexiblen Strukturen entwickelt – mit Vorteilen insbesondere bei empfindlichen oder unstrukturierten Umgebungen. Becker forscht seit Jahren an sogenannten Greifern, etwa für die Tiefsee-Biologie: „Ich arbeite vor allem an Greifern für die biologische Probenentnahme in der Tiefsee. Diese Systeme sind nachgiebig, können sich anpassen und beschädigen empfindliche Objekte nicht – das wäre mit starren Robotern viel schwieriger umzusetzen.“

Entscheidend sei die sogenannte „strategische Nachgiebigkeit“, also die Fähigkeit des Roboters, sich passiv an das zu greifende Objekt anzupassen: „Ein Teil meiner Arbeit – und ein besonderer Vorteil von Soft Robotics – ist die Umsetzung dieser strategischen Nachgiebigkeit. Dadurch kann sich das System automatisch an unterschiedliche Situationen anpassen, ohne aufwändige Sensorik oder Steuerung.“ Dieses Prinzip, so Becker weiter, sei stark von der menschlichen Hand inspiriert, die ein hohes Maß an Flexibilität und taktilem Feedback bietet. Becker verweist auf Studien, die zeigen, wie schwierig etwa das Anzünden eines Streichholzes wird, wenn die Finger taub sind – weil dann das fein abgestimmte Wechselspiel aus Gefühl, Druck und Bewegung fehlt.

In der Bauwirtschaft könnten Soft Robots in bestimmten Bereichen sinnvoll sein – etwa dort, wo empfindliche Materialien wie Leuchten, Fenster oder Sensoren montiert werden müssen. Auch Montagearbeiten an schwer zugänglichen Stellen, die bisher manuell erfolgen, könnten durch adaptive Robotiksysteme unterstützt werden. Kaitlyn Becker: „Ich sehe Anwendungspotenziale überall dort, wo ein anpassungsfähiger, nachgiebiger oder sanfter Griff gefragt ist – sei es beim Einsetzen eines Glaselements oder einer empfindlichen Armatur. Bei schweren Trägern oder grobem Materialhandling ist das jedoch nicht der richtige Ansatz.“

Noch enger mit der Bauwirtschaft verknüpft ist Beckers zweite Forschungslinie: die Entwicklung von strukturellem Mauerwerk aus 3D-gedrucktem Glas – insbesondere aus recyceltem Altglas. In Zusammenarbeit mit der TU Delft und dem Unternehmen Evenline arbeitet sie an einer Methode, Glasziegel herzustellen, die sich ohne Klebstoff verbinden und wieder trennen lassen. Die Vision: ein kreislauffähiges Bausystem, das dem Lego-Prinzip folgt. „Wir entwickeln gemeinsam mit der TU Delft Glasziegel, die sich einfach zusammen- und auseinanderbauen lassen – ohne Klebstoff. Denn Klebstoffe erschweren das Recycling und verunreinigen das Material. Unser Ziel ist ein System, das vollständig rückbaubar und wiederverwendbar ist.“ Die Idee ist dabei so simpel wie wirkungsvoll: Glasabfälle – etwa aus Fenstern abgerissener Gebäude – werden eingeschmolzen, in standardisierte (oder individuelle) Formen gedruckt und als Bausteine wiederverwendet:

„Man könnte die Fenster eines Abrissgebäudes nehmen, in unseren 3D-Drucker geben, und daraus neue Mauerziegel fertigen. Diese erhalten so ein zweites Leben – und landen nicht auf der Deponie.“ In den USA, so Becker, werde derzeit der Großteil des Glasabfalls entweder deponiert oder in minderwertige Anwendungen wie Straßenmarkierungen oder Glasfasern downgecycelt. Hier wolle sie einen Beitrag zur echten Wiederverwertung leisten.

Strukturell seien die Ziegel bereits jetzt sehr belastbar, so die Forscherin: „Glas funktioniert hervorragend unter Druck, weniger gut unter Zug. Unsere Ziegel erreichen bis zu 40 Megapascal Druckfestigkeit – das entspricht etwa dem Niveau von Beton.“ Wichtig sei, dass das Material keine unerkannten Risse oder Einschlüsse enthalte – etwa Keramikpartikel oder Klebereste. Der große Vorteil der additiven Fertigung liege in der flexiblen Kontrolle des Prozesses: „Im Gegensatz zur klassischen Floatglasproduktion, bei der täglich tonnenweise Glas verarbeitet wird und die nie stillstehen darf, können wir unseren Prozess jederzeit anhalten, kontrollieren und gegebenenfalls anpassen. Das erlaubt es uns, auch mit riskanterem oder kontaminiertem Recyclingmaterial zu arbeiten.“

Ein zentrales Argument Beckers für den integrierten Designansatz ist der unmittelbare Zusammenhang zwischen Herstellungsmethode und Produktperformance. Sie verweist auf eigene Forschungsergebnisse im Bereich Soft Robotics: „Wir konnten zeigen, dass sich bei gleicher Geometrie allein durch eine andere Fertigungsmethode die Berstdruckfestigkeit und Lebensdauer eines Robotergreifers vervierfachen lassen. Solche Optimierungen gelingen nur, wenn man sowohl das Design als auch die Fertigung versteht.“

In der industriellen Praxis sei diese Verbindung häufig unterentwickelt – es gebe Spezialisten für das eine oder das andere, aber selten für beides. Genau an diesem Punkt setzt Beckers Labor an: „Ich trainiere ein Team, das sowohl in Maschinendesign als auch in Fertigung kompetent ist. Das ist insbesondere in jungen oder komplexen Technologiefeldern – wie Soft Robotics oder dem 3D-Druck von Glas – ein entscheidender Vorteil.“

Becker hofft, dass ihre Technologie mittelfristig Eingang in reale Bauprojekte findet – zunächst etwa als Fassadenelemente, temporäre Pavillons oder Innenwände. Derzeit sucht sie aktiv nach Partnern aus der Industrie. „Wir befinden uns noch in einer frühen Phase, aber wir sind offen für Kooperationen. Das Ziel ist, über die nächsten fünf bis zehn Jahre hinweg zunehmend größere Bauprojekte mit unseren Glasziegeln zu realisieren.“ Dabei denkt sie nicht nur an Ästhetik, sondern auch an Funktionalität: „Ich wünsche mir, dass wir künftig nicht nur in Glashäusern wohnen, sondern in Gebäuden mit recycelten Glaswänden – die Licht spenden, funktional sind und gleichzeitig aus Materialien bestehen, die sonst im Müll gelandet wären.“

Auch technische Funktionen wie Isolation oder Sichtschutz seien möglich – etwa durch die Nutzung stark eingefärbter Glasflaschen oder schaumglasähnlicher Strukturen: „Nicht jede Wand muss durchsichtig sein. Wenn man zum Beispiel Wein- oder Bierflaschen einschmilzt, ist das resultierende Glas so dunkel, dass keinerlei Licht durchkommt. Damit lassen sich blickdichte, isolierende Wände herstellen – und man sieht keine Kabel dahinter.“