Bionischer Durchbruch: Revolutionäres Selbst

Von der Queen Mary University of London, 17. Juli 2023

Ein elektrischer, selbsterkennender künstlicher Muskel mit variabler Steifigkeit. Bildnachweis: Chen Liu et. al, Advanced Intelligent System

Forscher der Queen Mary University haben einen selbsterkennenden künstlichen Muskel mit variabler Steifigkeit entwickelt, der natürliche Muskeleigenschaften nachahmt. Der Durchbruch hat erhebliche Auswirkungen auf die Soft-Robotik und medizinische Anwendungen und rückt der Mensch-Maschine-Integration einen Schritt näher.

In einer am 8. Juli in Advanced Intelligent Systems veröffentlichten Studie haben Forscher der Queen Mary University of London mit der Entwicklung eines neuen Typs elektrischer künstlicher Muskeln mit variabler Steifigkeit und Selbsterkennungsfähigkeiten bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der Bionik erzielt. Diese innovative Technologie hat das Potenzial, Soft-Robotik und medizinische Anwendungen zu revolutionieren.

Die Verhärtung der Muskelkontraktion ist nicht nur wichtig für die Steigerung der Kraft, sondern ermöglicht auch schnelle Reaktionen in lebenden Organismen. Inspiriert von der Natur ist es dem Forscherteam der QMUL School of Engineering and Materials Science gelungen, einen künstlichen Muskel zu schaffen, der nahtlos zwischen weichen und harten Zuständen übergeht und gleichzeitig über die bemerkenswerte Fähigkeit verfügt, Kräfte und Verformungen zu spüren.

Dr. Ketao Zhang, Dozent am Queen Mary und leitender Forscher, erklärt die Bedeutung der Technologie mit variabler Steifigkeit in künstlichen muskelähnlichen Aktuatoren. „Die Ausstattung von Robotern, insbesondere solchen aus flexiblen Materialien, mit Selbsterkennungsfähigkeiten ist ein entscheidender Schritt hin zu echter bionischer Intelligenz“, sagt Dr. Zhang.

Der von den Forschern entwickelte hochmoderne künstliche Muskel weist eine ähnliche Flexibilität und Dehnbarkeit wie ein natürlicher Muskel auf und eignet sich daher ideal für die Integration in komplexe weiche Robotersysteme und die Anpassung an verschiedene geometrische Formen. Dieser flexible Aktuator mit Streifenstruktur hält einer Dehnung von über 200 % in Längsrichtung stand und weist eine außergewöhnliche Haltbarkeit auf.

Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen kann der künstliche Muskel seine Steifheit schnell anpassen und so eine kontinuierliche Modulation mit einer Steifigkeitsänderung von mehr als dem 30-fachen erreichen. Seine spannungsgesteuerte Natur bietet einen erheblichen Vorteil hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit gegenüber anderen Arten künstlicher Muskeln. Darüber hinaus kann diese neuartige Technologie ihre Verformung anhand von Widerstandsänderungen überwachen, wodurch zusätzliche Sensoranordnungen überflüssig werden, die Steuerungsmechanismen vereinfacht und gleichzeitig die Kosten gesenkt werden.

Der Herstellungsprozess für diesen selbsterkennenden künstlichen Muskel ist einfach und zuverlässig. Kohlenstoffnanoröhren werden mittels Ultraschalldispersionstechnologie mit flüssigem Silikon vermischt und mit einem Filmapplikator gleichmäßig beschichtet, um die dünnschichtige Kathode zu erzeugen, die auch als sensorischer Teil des künstlichen Muskels dient. Die Anode wird direkt aus einem weichen Metallnetzschnitt hergestellt und die Betätigungsschicht ist zwischen Kathode und Anode eingelegt. Nach dem Aushärten der flüssigen Materialien entsteht ein vollständig selbsterkennender künstlicher Muskel mit variabler Steifigkeit.

Die potenziellen Anwendungen dieser flexiblen Technologie mit variabler Steifigkeit sind vielfältig und reichen von der Soft-Robotik bis hin zu medizinischen Anwendungen. Die nahtlose Integration in den menschlichen Körper eröffnet Möglichkeiten, Menschen mit Behinderungen oder Patienten bei der Ausführung wesentlicher täglicher Aufgaben zu unterstützen. Durch die Integration des selbsterkennenden künstlichen Muskels können tragbare Robotergeräte die Aktivitäten eines Patienten überwachen und durch Anpassung des Steifheitsgrads Widerstand leisten, was die Wiederherstellung der Muskelfunktion während des Rehabilitationstrainings erleichtert.

„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“, betont Dr. Zhang. „Es liefert eine Blaupause für die zukünftige Entwicklung weicher und tragbarer Roboter.“

Die bahnbrechende Studie von Forschern der Queen Mary University of London markiert einen bedeutenden Meilenstein auf dem Gebiet der Bionik. Mit der Entwicklung selbsterkennender elektrischer künstlicher Muskeln haben sie den Weg für Fortschritte in der Soft-Robotik und bei medizinischen Anwendungen geebnet.

Referenz: „An Electric Self-Sensing and Variable-Stiffness Artificial Muscle“ von Chen Liu, James JC Busfield und Ketao Zhang, 8. Juli 2023, Advanced Intelligent Systems.DOI: 10.1002/aisy.202300131