Empa-Forscher entwickelten eine Methode, um Muskeln künstlich herzustellen. Für die Produktion der weichen und elastischen Strukturen werden 3D-Drucker verwendet. Das Produkt kann in der Medizin, der Robotik und überall, wo sich Dinge auf Knopfdruck bewegen sollen, verwendet werden.
Künstlichen Muskeln können verletzten Menschen die Bewegungsmöglichkeit zurückgeben oder sie immerhin darin unterstützen. Die Entwicklung von ebenbürtigem Gewebe ist eine grosse technische Herausforderung. Die künstlichen Muskeln müssen nicht nur stark, sondern auch weich und elastisch sein. Im Grunde genommen sind sie sogenannte Aktoren, also Bauteile, die elektrische Impulse in Bewegungen umwandeln. Einsatzmöglichkeiten sind zu Hause, in Motoren oder in hochentwickelten Industrieanlagen. «Mit Muskeln haben diese harten mechanischen Komponenten aber noch nicht viel gemein.»
Empa
Widersprüche unter einen Hut gebracht
Ein Empa-Team erforscht Aktoren aus weichen Materialien. Mit ihrer Methode können sie die komplexen Komponenten als 3D-Druck herstellen. Die dielektrischen elastischen Aktoren (DEA) bestehen aus zwei unterschiedlichen silikonbasierten Materialien, einem leitenden Elektrodenmaterial und einem nichtleitenden Dielektrikum. «Diese Materialien greifen schichtförmig ineinander, etwa so, wie wenn man die Finger verschränkt», erklärt Empa-Forscher Patrick Danner.
Unter elektrischer Spannung zieht sich der Aktor wie ein Muskel zusammen. Beim Druck muss man aufpassen, dass sich die beiden weichen Materialien nicht vermischen. «Die gedruckten Muskeln müssen möglichst weich sein, damit ein elektrischer Stimulus zu der benötigten Verformung führen kann.»
Technische Ansprüche
Um drucken zu können, muss das Ausgangsmaterial flüssig sein. Nach dem Pressen aus der Düse sollte es aber zähflüssig werden, um die gewünschte Form zu halten. «Diese Eigenschaften stehen oft in direktem Widerspruch zueinander», sagt Danner. «Wenn man eine davon optimiert, verändern sich drei andere, meistens zum Nachteil.»
Vom Handschuh bis zum Herz
«In Zusammenarbeit mit Forschenden der ETH Zürich ist es Danner und Dorina Opris, Leiterin der Forschungsgruppe «Functional Polymeric Materials», gelungen, viele dieser widersprüchlichen Eigenschaften unter einen Hut zu bringen.» «Die Zusammenarbeit ist Teil des Grossprojekts «Manufhaptics», das zum Strategischen Fokusbereich «Advanced Manufacturing» des ETH-Bereichs gehört. Ziel des Projekts ist es, einen Handschuh zu entwickeln, der virtuelle Welten greifbar macht. Hier sollen die künstlichen Muskeln durch Widerstand das Greifen von Gegenständen simulieren.»
Die weichen Aktoren können aufgrund ihrer Eigenschaften sehr vielfältig verwendet werden. Sie sind leicht, geräuschlos und beliebig formbar. Erste Anwendungen könnten in Autos, Maschinen und in der Robotik erfolgen und bisherige Aktoren ersetzen. Die Weiterentwicklung geht auch in die medizinische Richtung.
Neben komplexen Formen können auch lange elastische Fasern gedruckt werden. Wenn diese dünn genug hergestellt werden können, «kommen wir der Funktionsweise von echten Muskelfasern schon recht nahe», so Opris. «In Zukunft könnte man aus solchen Fasern womöglich ein ganzes Herz drucken, glaubt die Forscherin. Bis ein solcher Traum Wahrheit wird, gibt es allerdings noch viel zu tun.»
