Lebensechten Robotern einen Schritt näher – Forscher drucken synthetische Muskeln

Wissenschaftlern der School of Engineering an der Columbia University ist es gelungen ein lange bestehendes Problem im Bereich der Softrobotik zu lösen. Mit der Herstellung 3D-gedruckter, synthetischer Muskeln können Bewegungen natürlicher biologischer Systeme nachgeahmt werden.

Das Forscherteam des Creative Machines Lab, geleitet von Professor Hod Lipson, hat ein aktives künstliches Gewebe mit intrinsischer Ausdehnungsfähigkeit entwickelt, das dafür keinen externen Kompressor oder Hochspannungsvorrichtungen benötigt, wie es bei vorhergehenden Modellen der Fall war. Das neue Material verfügt über eine Dehnungsenergiedichte (Ausdehnung pro Gramm), die um das 15-facher größer als die von natürlichen Muskeln ist und kann das 1000-fache seines eigenen Gewichts heben.

Derzeit existierende Technologien für Effektoren basieren auf Pneumatik oder Hydraulik, wobei Hüllen aus Elastomer aufgepumpt bzw. aufgefüllt werden. Externe Kompressoren und Druckregler die für solche Technologien benötigt werden machen die Verkleinerung solcher Vorrichtungen sowie die Kreation von Robotern, die sich eigenständig bewegen und arbeiten, unmöglich.

“Wir haben große Fortschritte im Bereich des Verstandes von Robotern gemacht, ihre Körper sind aber weiterhin sehr primitiv,” sagt Hod Lipson. “Diese neue Entwicklung ist ein großes Puzzlestück und wie auch in der Biologie, kann der neue Effektor in unzähligen Formen hergestellt werden. Wir haben eine der letzten Barrieren zur Kreation von lebensechten Robotern überschritten.”

Roboter aus weichem Material haben großes Potential für den Einsatz in Bereichen, in denen Interaktion mit Menschen stattfindet, wie beispielsweise in der Fertigung oder im Gesundheitswesen. Im Gegensatz zu starren Robotern können weiche Roboter natürliche Bewegungen nachahmen und so auch heikle Aufgaben übernehmen.

Als Material für den 3D-Druck der weichen Effektoren verwendeten die Forscher eine Silikongummi-Matrix in der Ethanol in Form von Mikrobläschen verteilt ist. Diese Materialkombination ermöglicht die elastischen Eigenschaften als auch die starke Änderung des Volumens. Zudem ist es einfach zu verarbeiten, günstig und aus umweltverträglichen Materialien hergestellt.

Nachdem das Material in die gewünschte Form gedruckt wurde, hat man den künstlichen Muskel mittels einem Widerstandsdraht und 8 Volt elektrisch betätigt. Über ein computergesteuertes System kann die autonome Einheit Bewegungen ausführen.

“Unser weiches funktionelles Material kann als robuster, weicher Muskel eingesetzt werden und somit möglicherweise die Art und Weise, wie heutzutage Lösungen in der Softrobotik hergestellt werden, grundlegend verändern,” sagt Autor der Studie Aslan Miriyev. “Es kann schieben, ziehen, sich biegen, drehen und Gewicht heben. Es ist das am nähesten an natürlichen Muskel herankommende künstliche Material das wir haben.”

Die Studie mit dem Titel “Soft material for soft actuators” wurde in Nature Communications veröffentlicht.