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Künstliche Muskeln

Künstliche Muskeln sind technische Bauelemente, die maschinelle Steuersignale in mechanische Bewegungen umsetzen und dabei die Eigenschaften von natürlichen Muskeln imitieren. Hinter dem Begriff verbergen sich heute zahlreiche Einzeltechnologien mit unterschiedlichen Reifegraden. Bislang ist es jedoch noch nicht gelungen, alle strukturellen und funktionellen Vorteile des natürlichen Vorbildes in einem System zu vereinen.

Einfache pneumatische oder hydraulische Aktoren können Druckänderungen im Inneren in Längenänderungen umwandeln, benötigen jedoch entsprechende Kompressions- und Leitungskomponenten. Aktoren aus Funktionswerkstoffen sind vielseitiger in der Anwendung aber auch anspruchsvoller in der Realisierung. Hier werden Formänderungen durch spezifische physikalische oder chemische Steuerimpulse (z. B. elektrische Spannung, Wärme, Licht, pH-Wert) ausgelöst. Piezoelektrische Aktoren (elastische Verformung in Abhängigkeit von elektrischer Spannung) oder solche aus Formgedächtniswerkstoffen (temperaturinduzierte reversible Verformung) haben bereits viele Anwendungen gefunden, von der Medizintechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt.

Äußerst attraktive Eigenschaften weisen sogenannte elektroaktive Polymere (EAP) auf. Dies sind leichte, nachgiebige Kunststoffe, deren Form durch das Anlegen einer elektrischen Spannung reversibel verändert werden kann. Dabei beruht die elastische Verformung entweder auf Verlagerungen von Ionen und einer damit einhergehenden Massenverschiebung im Polymer (ionische EAP) oder auf einer Wanderung von Elektronen und daraus resultierenden elektrostatischen Wechselwirkungen im Material (elektronische EAP). Ein Beispiel hierfür sind dielektrische Elastomeraktoren, deren Funktionsweise auf der elektrostatischen Anziehung zwischen zwei Elektroden basiert, die durch einen reversibel verformbaren, passiven Elastomerfilm voneinander getrennt sind. Sie können sehr schnell geschaltet werden und zeichnen sich durch große Dehnbarkeit und gute Wirkungsgrade aus, benötigen aber bisher noch Steuerspannungen im Kilovolt-Bereich, was manche Anwendungen erschwert oder gar ausschließt (z. B. im medizinischen Bereich).

Jenseits dieser mehr oder weniger etablierten Ansätze gibt es vielfältige Bemühungen bezüglich der Nutzbarmachung neuer Wirkprinzipien zur Realisierung von künstlichen Muskeln. Unter anderem gelten smarte Hydrogele, also hydrophile Polymernetzwerke, die durch steuerbare Quellungs- und Entquellungsprozesse mechanische Arbeit verrichten können, als interessante Kandidaten. Sie werden typischerweise durch spezifische Änderungen der Temperatur oder des pH-Wertes gesteuert. Einsatzmöglichkeiten sind hier insbesondere in der Mikrosystemtechnik zu sehen (z. B. Drug-Delivery-Systeme). Als aussichtsreich könnte sich auch die Entdeckung erweisen, dass sich durch die Verdrillung von Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren, Polymeren oder anderen volumenveränderlichen Materialien Aktorikelemente mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften erzeugen lassen. Für Schlagzeilen sorgte u. a. die Herstellung von leistungsfähigen und langlebigen künstlichen Muskeln aus herkömmlicher Angelschnur (Nylon), die sich um bis zu 50 % verkürzen und dabei etwa hundertmal schwerere Lasten als natürliche Muskeln gleicher Dicke heben können.

Idealerweise zeichnet sich ein künstlicher Muskel durch eine weiche bzw. nachgiebige Struktur und eine einfache Bauweise aus, die einen verschleiß- und wartungsarmen Betrieb ermöglichen. Er verrichtet seine Arbeit nahezu geräuschlos und zeigt eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Gewicht sowie eine hohe Energieeffizienz. Hinzu kommen eine präzise Ansteuer- und gute Miniaturisierbarkeit sowie niedrige Herstellungskosten. Ein solcher wahrhaft biomimetischer künstlicher Muskel könnte in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen, in denen konventionelle Aktoren wie Elektromotoren oder komplizierte Hydrauliksysteme an ihre Grenzen stoßen.

Naheliegende Anwendungsgebiete sind in der Prothetik und der Robotik zu sehen. Das Einsatzspektrum reicht hier von lebensechten Ersatzgliedmaßen über kraftverstärkende Exoskelette bis hin zu biomimetischen Schwimm- oder Laufmaschinen und humanoiden Robotern. Eine zentrale Rolle spielen künstliche Muskeln bei der Entwicklung von weitgehend weichen bzw. nachgiebigen Robotern (sog. Soft Robots), die beispielsweise eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion in der industriellen Fertigung ermöglichen sollen. Ihre potenziell hohe Leistungsdichte macht künstliche Muskeln gleichzeitig interessant für Anwendungsbereiche, in denen Gewichtsreduktion und Platzersparnis im Vordergrund stehen (z. B. Luft- und Raumfahrt). Außerdem eröffnet ihre hervorragende Skalierbarkeit neue Möglichkeiten für die Entwicklung von mikroelektromechanischen und mikrofluidischen Systemen. Auch in selbstregulierenden Systemen, z. B. zur adaptiven Anpassung von Triebwerkskomponenten, könnten künstliche Muskeln zukünftig eine wichtige Rolle spielen.

Obwohl isolierte Funktionen des natürlichen Vorbilds, wie z. B. Stellpräzision oder Ansprechverhalten, bereits erfolgreich durch technische Systeme imitiert (und sogar übertroffen) werden konnten, erweist es sich in der Praxis als erhebliche Herausforderung, das volle Potenzial künstlicher Muskeln in einem einzigen, universell einsatzbaren Produkt zu vereinen. Die vielfältigen Vorteile, die man sich von ihnen verspricht, werden künstliche Muskeln wohl erst mittel- bis langfristig ausspielen können.

Dr. Carsten Heuer

 

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