Künstlicher Muskel verändert seine Steifheit mit der Spannung

2. August 2023 Conn Hastings Materialien, Reha, Chirurgie

Wissenschaftler der Queen Mary University of London haben einen künstlichen Muskel entwickelt, der sich als Reaktion auf eine Spannungsänderung von weich zu hart verändern kann. Die Technologie zielt darauf ab, menschliche Muskeln sowohl in ihren Bewegungen als auch in ihrer Fähigkeit, Kräfte und Verformungen zu spüren, nachzuahmen. Der Muskel besteht aus Kohlenstoffnanoröhren, die mit Silikon beschichtet wurden, um eine Kathode zu bilden, die auch Kräfte erfassen kann, und einer Anode aus einem weichen Metallnetz, die eine Betätigungsschicht zwischen Anode und Kathode bildet. Der resultierende künstliche Muskel kann nahtlos von weich zu hart übergehen und sich dabei zusammenziehen, während er seine eigene Verformung spürt. Die Forscher hoffen, dass die Technologie für medizinische Soft-Roboter von unschätzbarem Wert sein wird, beispielsweise in Komponenten von Roboterprothesen oder Rehabilitationsgeräten.

Soft-Robotik hat im medizinischen Bereich ein enormes Potenzial. Aufgrund der Flexibilität und Nachgiebigkeit dieser Roboterkomponenten eignen sie sich im Gegensatz zu starreren elektrischen Komponenten gut für die Interaktion mit Weichgewebe, ohne Schäden zu verursachen. Allerdings verwenden viele Soft-Roboter-Systeme bisher pneumatische Aktuatoren, bei denen Druckkräfte, die auf eingeschlossene Gase oder Flüssigkeiten wirken, eine Bewegung erzeugen.

Dies hat seinen Nutzen, ahmt aber nicht genau unsere Muskeln nach, die durch die Wirkung von Muskelfasern völlig anders funktionieren und den Muskel beim Kontrahieren nahtlos von weich in hart umwandeln. Darüber hinaus verfügen einfache Aktoren nur über eine begrenzte Fähigkeit, ihre eigene Umgebung zu erfassen und die von ihnen ausgeübte sowie die auf sie wirkenden Kräfte zu messen.

Dieser neueste künstliche Muskel bringt die sanfte Roboterbetätigung auf die nächste Stufe. Es verfügt über eine ähnliche Flexibilität und Dehnbarkeit wie natürlicher Muskel, hält einer Dehnung von 200 % entlang seiner Länge stand und kann von weich zu hart übergehen, was einer 30-fachen Steifigkeitsänderung entspricht, wenn es sich unter dem Einfluss elektrischer Spannung zusammenzieht. Aufgrund seiner elektrischen Reaktionsfähigkeit kann er auch schneller betätigt werden als herkömmliche Soft-Aktuatoren.

„Die Ausstattung von Robotern, insbesondere solchen aus flexiblen Materialien, mit Selbsterkennungsfähigkeiten ist ein entscheidender Schritt hin zu echter bionischer Intelligenz“, sagte Ketao Zhang, ein an der Studie beteiligter Forscher. „Obwohl noch Herausforderungen zu bewältigen sind, bevor diese medizinischen Roboter in klinischen Umgebungen eingesetzt werden können, stellt diese Forschung einen entscheidenden Schritt in Richtung Mensch-Maschine-Integration dar. Es liefert eine Blaupause für die zukünftige Entwicklung weicher und tragbarer Roboter.“

Studie in der Zeitschrift „Advanced Intelligent Systems: An Electric Self-Sensing and Variable-Steifness Artificial Muscle“.

Über: Queen Mary University of London

Conn Hastings

Conn Hastings erhielt einen Doktortitel vom Royal College of Surgeons in Irland für seine Arbeit im Bereich der Arzneimittelverabreichung. Dabei untersuchte er das Potenzial injizierbarer Hydrogele zur Abgabe von Zellen, Arzneimitteln und Nanopartikeln bei der Behandlung von Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Nach seiner Promotion und dem Abschluss eines Jahres als Postdoktorand verfolgte Conn eine Karriere im wissenschaftlichen Verlagswesen, bevor er hauptberuflich Wissenschaftsjournalist und -redakteur wurde und seine Erfahrungen in den biomedizinischen Wissenschaften mit seiner Leidenschaft für schriftliche Kommunikation kombinierte.