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Die innovativen Kunst-Muskeln können diesem Fisch-Roboter kabellos Antrieb verschaffen. © Gravert et al. Science Advances 2024
Bisher war problematische Hochspannung nötig, um die Funktion ihrer natürlichen Vorbilder nachzuahmen. Doch nun haben Forschende künstliche Muskeln entwickelt, die auf praktikable Weise Kraft entwickeln können. Durch ein neuartiges Hüllmaterial ist nur relativ geringe Spannung für die Kontraktion der ölgefüllten Beutel nötig. Sie lassen sich dadurch leichter, robuster und weniger Stromschlag-gefährlich gestalten, wie erste Beispielanwendungen verdeutlichen. Zukünftig könnte die Technik zur Entwicklung von optimierten Robotern, Prothesen oder sogenannten Wearables führen, sagen die Wissenschaftler.
Harte und steife Strukturen, angetrieben von Motoren – neben diesen herkömmlichen Systemen haben mittlerweile geschmeidigere Konzepte in die Robotik Einzug gehalten: Die Kreationen der sogenannten Softrobotik orientieren sich dabei an den Materialien und Verfahren der Natur. Diese Entwicklungen bieten durch ihre flexiblen Merkmale vielfältiges Anwendungspotenzial in der Industrie, Medizin oder Forschung. Auch was den Antrieb der beweglichen Teile von Softrobotern betrifft, lassen sich die Entwickler von der Natur inspirieren. Statt herkömmlicher Motoren werden Konzepte eingesetzt, die die Funktion von Muskeln nachahmen. Neben der sanften Bewegungsweise könnten solche Einheiten auch energetische Vorteile bieten, so die Hoffnung.
Das bisher leistungsfähigste System künstlicher Muskeln orientiert sich dabei stark an dem biologischen Vorbild: Es handelt sich um Gebilde, die sich beim Anlegen einer Spannung zusammenziehen – ähnlich wie Muskelfasern durch Nervenimpulse. Der künstliche Muskel besteht aus einem Beutel, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Durch das spezielle Hüllmaterial kann durch das Anlegen einer Spannung eine verkürzende Verformung des Beutels ausgelöst werden – es entsteht Zugspannung. Aus der Kombination mehrerer Beutel lässt sich damit ein sogenannter Aktuator bilden, der ähnlich wie ein Bündel von Muskelfasern für Bewegung sorgen kann.
Bisher zu hohe Spannungen nötig
Bisher hatte das Konzept allerdings einen Haken: Die Aktuatoren ziehen sich nur effektiv zusammen, wenn hohe Spannungen von etwa 6000 bis 10.000Volt angelegt werden. Dadurch mussten die künstlichen Muskeln an große und schwere Spannungsverstärker angeschlossen werden, was das Konzept für den Einsatz bei kleineren und kabellosen Robotern kaum praktikabel machte. Außerdem musste für eine gute Isolation der Einheiten gesorgt werden und die Systeme bargen das Risiko für gefährliche Stromschläge bei der Handhabung. Deshalb hat sich das Forschungsteam um Stephan-Daniel Gravert von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) der Optimierung des Kunst-Muskel-Konzepts gewidmet.
Der zentrale Vorteil ihrer Neuentwicklung ist nun der deutlich geringere Ladungsbedarf. Möglich wird er durch eine Schicht aus einem speziellen ferroelektrischen Material in der neuartigen Hüllstruktur der Beutel. Es besitzt eine besonders hohe Permittivität. Damit wird die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder bezeichnet. Durch seine hohe Permittivität kann das verwendete Material sehr effektiv elektrische Energie aufnehmen und dadurch bei verhältnismäßig geringer Spannung starke Anziehungskraft erzeugen, erklären die Forschenden. „Bei anderen Aktuatoren liegen die Elektroden außen an der Hülle. Bei unseren besteht die Hülle aus verschiedenen Schichten. Wir haben das hoch-permittive ferroelektrisches Material mit einer Schicht aus Elektroden kombiniert und diese dann mit einer Polymer-Hülle überzogen, die sehr gute mechanische Eigenschaften hat und den Beutel stabiler macht“, sagt Gravert.
Offenbar reichen nun schon unter 1000 Volt aus, um für eine effektive Aktivierung der Aktuatoren zu sorgen.
Bei dieser Spannung ziehen sich die unterschiedlich polarisierten Wände im oberen Teil der Beutel zusammen. Dabei drücken sie Öl in den unteren Bereich des künstlichen Muskels, der sich dadurch aufbläht. Dies ist mit einer Verkürzung der gesamten Einheit verbunden, die für Zugspannung sorgen kann.
Anwendungspotenzial aufgezeigt
Um das Potenzial ihres Systems zu verdeutlichen, haben es die Entwickler für zwei Anwendungsbeispiele eingesetzt. Bei dem einen handelt es sich um einen elf Zentimeter hohen Greif-Roboter, bei dem zwei Finger durch je drei hintereinander geschaltete Beutel des neuen Aktuators-Systems bewegt werden. Für die nötige Spannung von 900 Volt sorgen ein eingebauter Akku und ein Netzteil. Der gesamte Greifer wiegt inklusive Leistungs- und Regelungselektronik 45 Gramm. Mit diesem Gerät konnte das Team verdeutlichen, dass das System in der Lage ist, sein eigenes Gewicht an einer Schnur emporzuheben. „Dieses Beispiel zeigt sehr gut, wie, klein, leicht und effizient diese Aktuatoren sind. Das bedeutet auch, dass wir dem Ziel, integrierte muskel-betriebene Systeme zu erschaffen, einen großen Schritt nähergekommen sind“, sagt Seniorautor Robert Katzschmann von der ETH Zürich.
Beim zweiten Anwendungsbeispiel handelt es sich um einen etwa 30 Zentimeter langen Fisch-Roboter. In seinem Kopf sitzt Steuerungselektronik, die mit zwei seitlich integrierten Aktuatoren verknüpft ist. Durch ihre abwechselnde Aktivierung entstehen Schwimmbewegungen, die den kabellos betriebenen Fisch-Roboter aus dem Stillstand in 14 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von drei Zentimeter pro Sekunde bringen können. Dies klappt dabei in normalem Leitungswasser, das bei früheren Versionen von Kunst-Muskeln für Isolationsprobleme gesorgt hätte. „Mit dem Fisch können wir veranschaulichen, dass die Elektroden vor der Umwelt geschützt sind und umgekehrt auch die Umwelt vor der Spannung abgeschirmt beleibt. Man kann diese elektrostatischen Aktuatoren also im Wasser betreiben und anfassen“, so Katzschmann. Außerdem sind die neuen Aktuatoren auch wesentlich robuster als andere künstliche Muskel-Systeme, betonen die Entwickler.
Ihnen zufolge zeichnet sich damit nun erhebliches Potenzial des Konzepts für die Entwicklung neuartiger Roboter, Prothesen oder am Körper getragener Technologien ab. Abschließend sagt Katzschmann dazu: „Jetzt muss diese Technologie zur industriellen Reife gebracht werden. Ohne zu viel verraten zu wollen, kann ich sagen, dass es bereits Interesse von Firmen gibt, die mit uns zusammenarbeiten möchten“, freut sich der Wissenschaftler.
Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi9319
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