Obwohl die Elektronik immer mehr geschrumpft ist, haben sich Motoren, Hydraulik und andere Geräte, die zum Antrieb von Bewegungen verwendet werden, hartnäckig dem Trend widersetzt. Es ist schwierig, winzige Mechanismen herzustellen und zusammenzubauen, die die Kräfte bereitstellen und die Belastungen bewältigen können, die erforderlich sind, um außergewöhnlich kleine bewegliche Teile anzutreiben. Diese Woche in Wissenschaft, Mehrere Forscherteams präsentieren Studien, die Fortschritte bei der Herstellung kleiner künstlicher Muskeln beschreiben – alle verwenden winzige verdrehte Fasern, um Energie zu speichern und freizusetzen. Die Fasern könnten in allen Bereichen eingesetzt werden, von Miniaturrobotern bis hin zu Ventilen in medizinischen Geräten.
Diese Fasern, zu denen häufig leichte Polymere wie Nylon oder Polyethylen hoher Dichte gehören, können aufgrund ihres Gewichts stärker sein als menschliche Muskeln. Wenn sie sich zusammenziehen, können einige mehr als das 1.000-fache ihrer eigenen Masse heben, sagt Sameh Tawfick, Maschinenbauingenieur an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Die Fasern ermöglichen es Ingenieuren, viel Energie auf kleinem Raum zu speichern, wodurch sie „Dinge tun können, die sie sonst nicht tun können“, bemerkt Tawnick, der eine Perspektive auf die in derselben Ausgabe von Science veröffentlichten Studien mitverfasst hat.
Eines der neuen künstlichen Muskeldesigns ist im Wesentlichen eine kleine Hightech-Version der Gummibänder, mit denen Balsaholzflugzeuge angetrieben werden. Diese Fasern müssen jedoch nicht jedes Mal gewickelt werden, wenn sie verwendet werden, sagt Jinkai Yuan, Materialwissenschaftler an der Universität Bordeaux in Frankreich und Mitautor einer der Studien. Stattdessen bestehen sie aus einem „Formgedächtnis“ -Polymer, das sich dreht und dreht, wenn sich die Temperatur des Materials ändert.
So machte Yuans Team seine Muskeln: Zuerst erhitzten die Forscher eine zwei Zentimeter lange Faser mit einem Durchmesser von 40 Mikron aus einem Material namens Polyvinylalkohol (PVA) über seine sogenannte Programmiertemperatur. (Oberhalb dieser Temperatur nimmt das Material natürlich eine Form an; darunter kann das Material eine andere annehmen. Schwanken die Temperaturen um diese Schwelle, wechselt das Material zwischen den beiden Formen. Nachdem sie die Faser verdreht hatten, um Energie zu speichern, kühlten sie sie ab, um ihre Form einzufrieren. Als die Faser wieder über ihre ursprüngliche Temperatur erhitzt wurde, drehte sie sich schnell in ihre ursprüngliche Form auf, sagt Yuan.
Obwohl eine PVA-Faser eine beträchtliche Menge an Energie speichern könnte, fand das Team heraus, dass das Hinzufügen von drei bis fünf Mikron großen Flocken aus Graphenoxid zu dem Material es ermöglichte, noch mehr zu verriegeln. Das liegt daran, dass sich diese Flocken biegen würden — und somit Energie speichern würden, wie es eine Feder könnte -, wenn die Faser zuerst verdreht wurde, aber dann diese Energie freisetzt, wenn sie sich aufdreht. In den Labortests des Teams drehte eine aufgedrehte Faser ein Stück Papier mit 600 Umdrehungen pro Minute für volle fünf Sekunden. Um die Energiespeicherfähigkeit der Faser zu demonstrieren, nutzte das Team eine, um ein Spielzeugboot anzutreiben. Praktischer könnte diese Art von künstlichem Muskel auch winzige Klappen in medizinischen Geräten öffnen und schließen, schlägt Yuan vor.
Während die von Yuan und seinen Kollegen hergestellten Fasern beim Verdrehen und Aufdrehen für Drehmoment sorgen, arbeiten die von anderen Teams entwickelten künstlichen Muskeln eher wie echte Muskeln: Sie ziehen an oder heben Gegenstände an. Ein Team unter der Leitung von Forschern des Massachusetts Institute of Technology schuf Fasern, die mehr als 1.000 Prozent ihrer ursprünglichen Größe dehnen und mehr als das 650-fache ihres eigenen Gewichts heben können. Sie arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip wie die Bimetallstreifen in frühen Thermostaten: Die Faser wird hergestellt, indem zwei Materialien miteinander verbunden werden, die sich mit radikal unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausdehnen, wenn sich die Temperatur ihrer Umgebung ändert, sagt Polina Anikeeva, Materialwissenschaftlerin bei M.I.T. und leitende Autorin dieser Studie.
Der neue künstliche Muskel ihres Teams enthält ein Polyethylen hoher Dichte (HDPE), die gleiche Art von Kunststoff, aus dem recycelbare Flaschen hergestellt werden. Es hat auch ein anderes Material, eine dehnbare Art von Polymer, das als Elastomer bekannt ist, sagt Anikeeva. Wenn kleine Blöcke dieser Substanzen erhitzt und durch eine schmale Düse gezogen werden, verbinden sie sich und werden zu einer langen, dünnen Faser gedehnt. Wenn die Spannung in der Faser gelöst wird, schrumpft das Elastomer wieder auf seine ursprüngliche Größe. Diese Änderung bewirkt wiederum, dass sich die Faser in eine federartige Form wickelt, die einem alten Telefonkabel ähnelt. Wenn die Faser erhitzt oder abgekühlt wird, dehnt sich das HDPE etwa fünfmal schneller aus oder zieht sich zusammen als das Elastomer, an das es gebunden ist, was dazu neigt, die Gesamtlänge der aufgerollten Faser zu verkürzen bzw. zu vergrößern.
Als Anikeeva und ihre Kollegen eine ihrer Fasern innerhalb von vier Sekunden um 14 Grad Celsius erhitzten, schrumpfte der künstliche Muskel um satte 50 Prozent. In anderen Tests erhitzte und kühlte das Team Fasern, um leichte Gewichte zu heben oder einen kleinen Roboterarm zu biegen. Obwohl diese Tests Grammgewichte hoben, könnten massive Bündel solcher Fasern verwendet werden, um schwereres Heben oder Ziehen durchzuführen, sagt Anikeeva. Fasern mit größerem Durchmesser oder Bündel davon könnten in der Robotik oder in Prothesen Verwendung finden, stellt sie fest.
Ein anderes Team, das in dieser Woche über seine Arbeit berichtete, ging künstliche Muskeln auf ganz andere Weise an. Obwohl seine Geräte um einen Kern aus verdrillten Fasern herum aufgebaut waren, war der aktive Teil des Muskels tatsächlich eine dünne Materialhülle, die den Kern umgab. Die Verwendung einer solchen Hülle hatte mehrere Vorteile, sagt Ray Baughman, Teamleiter und Materialwissenschaftler an der University of Texas in Dallas. Zum einen ermöglicht es Ingenieuren, billigere Materialien für den Kern einer Faser zu verwenden. Er und seine Kollegen haben scheidengetriebene Muskeln entwickelt, die um Kerne aus Nylon-, Seiden- und Bambusgarnen aufgebaut sind. Ihre Tests zeigen, dass die Wahl des Materials für den Kern einer Faser seine Leistung nicht dramatisch beeinflusst.
Es gibt andere Gründe, scheidengetriebene Muskeln aufzubauen, sagt Baughman. An der Außenseite der Faser werden Umweltreize wie Feuchtigkeit oder das Vorhandensein bestimmter Substanzen, die ihre Bewegung antreiben, schneller spürbar, erklärt er. Außerdem üben das Quellen und Schrumpfen in der Hülle, die am weitesten vom Zentrum der Faser entfernt ist, eine größere Hebelwirkung aus als äquivalente Änderungen in der Nähe des Faserkerns.
Im Gegensatz zu den anderen Teams entwickelten Baughman und seine Kollegen Fasern, die auf mehr als nur Temperaturänderungen reagieren. Einige trugen Muskelscheiden, die anschwellen, wenn sie Ethanoldampf ausgesetzt sind; andere wurden mit einem Material furniert, das beim Einweichen in eine Glukoselösung schrumpft. Diese Art von Fasern könnte verwendet werden, um Ventile in medizinischen Geräten zu öffnen oder zu schließen oder einen kleinen Beutel zu quetschen und ein Medikament abzugeben. Fasern, die auf Schweiß oder Wasserdampf reagieren, könnten zu „intelligenten Stoffen“ gewebt werden, die die Dichtheit ihres Gewebes anpassen, um unter heißen, feuchten Bedingungen atmungsaktiver zu werden, sagt Baughman. Alternativ können Beschichtungen, die auf schädliche Dämpfe reagieren, das Gewebe eines Gewebes straffen, um Personen zu schützen, die auf eine Chemikalienverunreinigung reagieren.
„Ich bin sehr gespannt auf die Entwicklungen“, die von diesen Teams berichtet werden, sagt Tawfick. „Diese Technologie hat eine glänzende Zukunft.“
