Ein künstlicher Muskel, der das 1.000-fache seines Gewichts heben kann. Diese Aussage klingt wie Science-Fiction, aber eine neue Technologie könnte das Gebiet der weichen Robotik und tragbarer Geräte revolutionieren. Hinter diesem Erfolg steht ein neuartiges Verbundmaterial, das extreme Flexibilität mit beeindruckender Widerstandsfähigkeit kombiniert.
Diese künstlichen Muskeln basieren auf einer Kombination aus Formgedächtnis-Polymeren und magnetischen Partikeln. Das erste Element ermöglicht eine kontrollierte Verformung unter Hitzeeinwirkung, während die magnetischen Partikel eine präzise Steuerung durch externe Felder bieten. Diese doppelte Eigenschaft ermöglicht es, die Steifigkeit des Materials auf ein beispielloses Maß zu modulieren – auf das bis zu 2.700-fache seines weichsten Zustands.
Die weiche Robotik lässt sich von lebenden Organismen inspirieren, um flexible und widerstandsfähige Maschinen zu entwickeln, die sich an komplexe Umgebungen anpassen können. Ein großes Hindernis blieb jedoch bestehen: Traditionelle Materialien wie Silikon sind nicht ausreichend robust und belastbar. Die in Südkorea erzielten Fortschritte bieten nun eine Lösung für diese Einschränkungen.
In einer von
Nature veröffentlichten Studie beschreiben Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie in Ulsan ihre Entwicklung: ein künstlicher Muskel, der so weich wie Haut und gleichzeitig so stark wie Stahl ist. Dieses Verbundmaterial kann sich nicht nur biegen, dehnen oder zusammenziehen, sondern auch Lasten heben, die bis zu 1.000-mal so schwer sind wie sein eigenes Gewicht.
Der Schlüssel zu dieser Leistung liegt in der thermischen und magnetischen Steuerung des Systems. Bei hohen Temperaturen wird der Muskel formbar und anpassungsfähig. Nach dem Abkühlen nimmt er dank der Formgedächtniseigenschaften des Polymers seine ursprüngliche Steifigkeit und Form wieder an. Diese Flexibilität eröffnet neue Perspektiven für die robotergestützte Chirurgie, dynamische Prothesen und tragbare Geräte.
Wird das Material einem Magnetfeld ausgesetzt, kann es sich auf bis zu 800 % seiner ursprünglichen Länge ausdehnen, während es eine bemerkenswerte Bewegungspräzision beibehält. Seine Reaktionsfähigkeit ermöglicht die Ausführung komplexer Aufgaben wie das Hantieren mit zerbrechlichen Objekten oder das Arbeiten unter extremen Bedingungen.
Das Forscherteam integrierte zudem eine Doppelschicht-Struktur mit einem Hydrogel, das die Vibrationen dämpft. Diese Innovation erhöht die Stabilität des Muskels selbst bei hohen Geschwindigkeiten und verbessert seine Energieeffizienz, die bis zu 90,9 % erreicht.
Diese künstlichen Muskeln beeindrucken nicht nur durch ihre enorme Kraft. Ihre Modularität könnte tragbare und biomedizinische Technologien revolutionieren, da sie maßgeschneiderte Lösungen für individuelle Bedürfnisse bieten könnten. Geräte, die in der Lage sind, menschliche Bewegungen zu begleiten und ihre Kraft zu verstärken, könnten bald Realität werden.
Für Professor Jeong, der das Projekt leitet, markiert diese Entdeckung einen entscheidenden Schritt, um die Einschränkungen herkömmlicher Materialien zu überwinden und Anwendungen in Bereichen wie Industrie, Medizin und fortschrittlicher Robotik zu ermöglichen.
a - Schema, das das Konzept eines monophase Verbundmuskels und seine vielfältigen Funktionen zeigt.
b - (i) Chemische Zusammensetzung des Verbundmaterials; (ii) REM-Aufnahme der Mikrostrukturen; (iii) und (iv) TEM-Aufnahmen der NdFeB-Mikropartikel.
c - (i) Wirkungsmechanismus des Poly(SMA-co-EGDMA); (ii-v) WAXS-Bilder der Verbundstoffe in verschiedenen Zuständen: kristallisiert, amorph, gedehnt amorph und gedehnt kristallisiert. Was ist ein Formgedächtnis-Polymer?
Ein Formgedächtnis-Polymer ist ein Material, das seine Form unter einem Reiz, wie etwa Wärme, verändern und nach dem Verschwinden des Reizes in seine ursprüngliche Konfiguration zurückkehren kann. Diese Eigenschaft beruht auf einer einzigartigen molekularen Struktur.
Diese Polymere sind darauf programmiert, sich zwei Zustände zu "merken": einen „verformten“ Zustand, der durch einen Reiz aktiviert wird, und einen „ursprünglichen“ Zustand, zu dem sie zurückkehren, wenn der Reiz verschwindet. Dieses Verhalten unterscheidet sie von herkömmlichen Materialien.
Sie finden breite Anwendung in der Robotik, der Medizin und der Industrie. Ihre Anpassungsfähigkeit macht sie ideal für die Entwicklung intelligenter Geräte wie dynamische Prothesen oder künstliche Muskeln. Ihre hohe Flexibilität und Festigkeit bieten innovative Lösungen für Technologien, die eine Balance zwischen Steifigkeit und Flexibilität erfordern.
Autor des Artikels: Cédric DEPOND
Quelle: Nature