Künstliche Muskeln – leichter, robuster, sicherer

Vie­le Ro­bo­ti­ker und Ro­bo­ti­ke­rin­nen träu­men da­von, Ro­bo­ter nicht nur aus Me­tall oder an­de­ren har­ten Ma­te­ria­li­en und Mo­to­ren zu bau­en, son­dern sie wei­cher und an­pas­sungs­fä­hi­ger zu ge­stal­ten. Wei­che Ro­bo­ter könn­ten ganz an­ders mit ih­rer Um­welt in­ter­agie­ren, sie könn­ten bei­spiel­wei­se wie die Glied­mas­sen von Men­schen Stös­se ab­fe­dern oder mit Fein­ge­fühl et­was grei­fen. Auch aus en­er­ge­ti­scher Sicht wä­re dies in­ter­es­sant, denn bis­he­ri­ge An­trie­be be­nö­ti­gen meist viel En­er­gie, um ei­ne Po­si­ti­on hal­ten zu kön­nen, wäh­rend wei­che Sys­te­me En­er­gie auch gut spei­chern kön­nen. Was liegt al­so nä­her, als sich den mensch­li­chen Mus­kel zum Vor­bild zu neh­men und zu ver­su­chen, die­ses Sys­tem nach­zu­bau­en?

Die Funk­ti­ons­wei­se von künst­li­chen Mus­keln ori­en­tiert sich des­halb an der Bio­lo­gie. Wie ihr na­tür­li­ches Ge­gen­stück zie­hen sich die künst­li­chen Mus­keln bei ei­nem elek­tri­schen Im­puls zu­sam­men. Al­ler­dings be­stehen die künst­li­chen Mus­keln nicht aus Zel­len und Fa­sern, son­dern aus ei­nem Beu­tel, der mit ei­ner Flüs­sig­keit – meist Öl – ge­füllt ist und des­sen Hül­le Elek­tro­den ent­hält. Er­hal­ten die­se ei­ne elek­tri­sche Span­nung, zie­hen sie sich zu­sam­men und drü­cken die Flüs­sig­keit in den Rest des Beu­tels. Der Beu­tel spannt sich und kann bei­spiels­wei­se ein Ge­wicht an­he­ben. Ein Beu­tel steht da­bei ana­log für kur­zes Bün­del an Mus­kel­fa­sern, ver­bin­det man meh­re­re da­von, ent­steht ein vol­les An­triebs­ele­ment, das auch als Ak­tua­tor be­zeich­net wird oder eben als künst­li­chen Mus­kel.

Zu ho­he Span­nung

Die Idee, künst­li­che Mus­keln zu ent­wi­ckeln, ist nicht neu, nur gab es bis jetzt ein we­sent­li­ches Pro­blem bei der Um­set­zung: Die Ak­tua­to­ren funk­tio­nier­ten nur mit ei­ner enorm ho­hen Span­nung von ca. 6 bis 10 Tau­send Volt. Das hat gleich meh­re­re Aus­wir­kun­gen. So muss­ten die­se bis jetzt an gros­se, schwe­re Span­nungs­ver­stär­ker an­ge­schlos­sen wer­den, sie funk­tio­nier­ten nicht in Was­ser und wa­ren auch für Men­schen nicht ganz un­ge­fähr­lich. Ro­bert Katz­sch­mann, Ro­bo­tik­pro­fes­sor an der ETH Zü­rich, Stephan-​Daniel Gra­vert und Elia Va­ri­ni ha­ben zu­sam­men mit ei­nem For­schungs­team in ex­ter­ne Sei­teSci­ence Ad­van­cescall_made ih­re Ver­si­on ei­nes künst­li­chen Mus­kels vor­ge­stellt, die gleich meh­re­re Vor­tei­le auf­weist.

Gra­vert, der als wis­sen­schaft­li­cher As­sis­tent bei Katz­sch­mann im La­bor ar­bei­tet, hat ei­ne neu­ar­ti­ge Hül­le für den Beu­tel kon­zi­piert. Die For­schen­den nen­nen die neu­en künst­li­chen Mus­keln Halve-​Aktuatoren, ei­ne Ab­kür­zung für «hy­drau­li­cal­ly am­pli­fied low-​voltage elec­tro­sta­tic», zu Deutsch al­so hy­drau­lisch ver­stärk­ter elek­tro­sta­ti­scher Niederspannungs-​Aktuator. «Bei an­de­ren Ak­tua­to­ren lie­gen die Elek­tro­den aus­sen an der Hül­le. Bei un­se­ren be­steht die Hül­le aus ver­schie­de­nen Schich­ten. Wir ha­ben ein hoch-​permittives fer­ro­elek­tri­sches Ma­te­ri­al, al­so ei­nes, das ver­hält­nis­mäs­sig ho­he Men­gen an elek­tri­scher En­er­gie spei­chern kann, kom­bi­niert mit ei­ner Schicht aus Elek­tro­den und die­se dann mit ei­ner Polymer-​Hülle über­zo­gen, die sehr gu­te me­cha­ni­sche Ei­gen­schaf­ten hat und den Beu­tel sta­bi­ler macht», er­klärt Gra­vert. Da­durch konn­ten die For­schen­den auch die be­nö­tig­te Span­nung re­du­zie­ren, weil die viel hö­he­re Per­mit­ti­vi­tät des fer­ro­elek­tri­schen Ma­te­ri­als gros­se Kräf­te trotz ge­rin­ger Span­nung zu­lässt. Gra­vert und Va­ri­ni ha­ben die Hül­le der Halve-​Aktuatoren üb­ri­gens nicht nur mit­ent­wi­ckelt, son­dern sie auch gleich noch selbst im La­bor für zwei kon­kre­te Ro­bo­ter her­ge­stellt.

Grei­fer und Fisch zei­gen, was der Mus­kel drauf­hat

Die For­schen­den ver­an­schau­li­chen das Po­ten­zi­al der Neu­ent­wick­lung in der Stu­die an zwei ro­bo­ti­schen Bei­spie­len. Ein 11 Zen­ti­me­ter ho­her Grei­fer hat zwei Fin­ger, die durch je drei hin­ter­ein­an­der ge­schal­te­te Beu­tel des  Ak­tua­tors be­wegt wer­den. Er wird da­zu über ein klei­nes, bat­te­rie­be­trie­be­nes Netz­teil mit 900 Volt Span­nung ver­sorgt. Ak­ku und Netz­teil wie­gen zu­sam­men nur 15 Gramm. Der ge­sam­te Grei­fer wiegt in­klu­si­ve Leistungs-​ und Re­ge­lungs­elek­tro­nik nur 45 Gramm. Der Grei­fer kann ein glat­tes Kunst­stoff­ob­jekt aus­rei­chend fest grei­fen, um sein ei­ge­nes Ge­wicht zu tra­gen, wenn das Ob­jekt mit ei­ner Schnur in die Luft ge­ho­ben wird. «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», freut sich Katz­sch­mann.

Grei­fer, an­ge­trie­ben von künst­li­chen Mus­keln in Ak­ti­on. (Vi­deo: Gra­vert et al. Sci­ence Ad­van­ces 2024)

Das zwei­te Ob­jekt ist ein knapp 30 Zen­ti­me­ter lan­ger Fisch, der ge­schmei­dig durchs Was­ser schwimmt. Der Ro­bo­ter­fisch be­steht aus ei­nem Kopf, der die Elek­tro­nik ent­hält, und ei­nem fle­xi­blen Kör­per, an dem die Halve-​Aktuatoren be­fes­tigt sind. Die­se Ak­tua­to­ren be­we­gen sich ab­wech­selnd rhyth­misch, was die Schwimm­be­we­gung er­zeugt. So er­reicht der ka­bel­lo­se Fisch aus dem Still­stand in 14 Se­kun­den ei­ne Ge­schwin­dig­keit von drei Zen­ti­me­ter pro Se­kun­de – und das wohl­ge­merkt in nor­ma­lem Lei­tungs­was­ser.

Fisch bewegt sich nur mit Muskelkraft im Wasser. (Video: Gravert et al. Science Advances 2024)