Künstliche Muskeln – leichter, robuster, sicherer

Künstliche Muskeln unter Wasser im Einsatz. (Bild: Screenshot aus Video von Gravert et al. Science Advances 2024)

Von ETH-​Forschenden neu ent­wi­ckel­te künst­li­che Mus­keln, die Ro­bo­ter an­trei­ben, ha­ben ge­gen­über bis­he­ri­gen Tech­no­lo­gien meh­re­re Vor­tei­le. Sie könn­ten über­all dort zum Ein­satz kom­men, wo Ro­bo­ter nicht starr, son­dern weich sein sol­len oder sie mehr Ge­fühl im Um­gang mit ih­rer Um­ge­bung brau­chen.

In Kür­ze

  • For­schen­de der ETH Zü­rich ha­ben künst­li­che Mus­keln ent­wi­ckelt, die leich­ter, ro­bus­ter und si­che­rer sind als ih­re Vor­gän­ger­mo­del­le.

  • Die neu ent­wi­ckel­ten Ak­tua­to­ren ha­ben ei­ne neu­ar­ti­ge Hül­len­struk­tur und ver­wen­den ein hoch-​permittives fer­ro­elek­tri­sches Ma­te­ri­al, das ver­hält­nis­mäs­sig ho­he Men­gen an elek­tri­scher En­er­gie spei­chern kann.

  • Sie funk­tio­nie­ren des­halb mit ver­hält­nis­mäs­sig ge­rin­ger elek­tri­scher Span­nung, sind was­ser­dicht, ro­bus­ter, und pro­blem­los an­fass­bar.

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 Ad­van­ces ih­re Ver­si­on ei­nes künst­li­chen Mus­kels vor­ge­stellt, die gleich meh­re­re Vor­tei­le auf­weist.

Vergrösserte Ansicht: Der künstliche Muskel besteht in der Mitte aus einer Ölfüllung, anschliessend kommt eine Schicht hoch-permittives Material, eine Elektroden und zu äusserst eine strukturelle Hülle.
Die Gra­fik zeigt, wie der künst­li­che Mus­kel ar­bei­tet, und wie die neue Hül­le struk­tu­riert ist. (Bild: Gra­vert et al. Sci­ence Ad­van­ces 2024 / ETH Zü­rich)

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)

Was­ser­dicht und sich selbst-​verschliessend

Das ist wich­tig, denn es zeigt ei­ne wei­te­re Neue­rung der Halve-​Aktuatoren: Da die Elek­tro­den nicht mehr un­ge­schützt aus­sen an der Hül­le sit­zen, sind die künst­li­chen Mus­keln nun was­ser­dicht und kön­nen auch in lei­ten­den Flüs­sig­kei­ten ein­ge­setzt wer­den. «Mit dem Fisch kön­nen wir auch ei­nen ge­ne­rel­len Vor­teil die­ser Ak­tua­to­ren ver­an­schau­li­chen – die Elek­tro­den sind vor der Um­welt ge­schützt und um­ge­kehrt ist auch die Um­welt vor den Elek­tro­den ge­schützt. Man kann die­se elek­tro­sta­ti­schen Ak­tua­to­ren al­so im Was­ser be­trei­ben oder zum Bei­spiel an­fas­sen.», er­klärt Katz­sch­mann. Und noch ei­nen Vor­teil hat der schicht­ar­ti­ge Auf­bau der Beu­tel: Die neu­en Ak­tua­to­ren sind we­sent­lich ro­bus­ter als an­de­re künst­li­che Mus­keln.

Die Beu­tel sol­len sich ja idea­ler­wei­se sehr viel und schnell be­we­gen. Nur kleins­te Pro­duk­ti­ons­feh­ler – et­wa ein Staub­korn zwi­schen den Elek­tro­den – kann da­bei zu ei­nem elek­tri­schen Durch­schlag füh­ren – ei­ner Art Mini-​Blitzschlag. «Bei frü­he­ren Mo­del­len hiess das: die Elek­tro­de ver­brennt, es ent­steht ein Loch in der Hül­le, die Flüs­sig­keit tritt aus und der Ak­tua­tor ist de­fekt», er­klärt Gra­vert. Bei den Halve-​Aktuatoren ist die­ses Pro­blem ge­löst, denn ein ein­zel­nes Loch ver­schliesst sich durch die schüt­zen­de Kunststoff-​Aussenschicht qua­si von selbst. Der Beu­tel bleibt auch nach ei­nem Durschlag meist voll funk­ti­ons­fä­hig.

Vergrösserte Ansicht: Aktuator in enem durchsichtigen Hülle
Auch mit über 30 Durschlags­lö­chern war der neue Halve-​Aktuator im­mer noch voll funk­ti­ons­fä­hig. (Bild: Gra­vert et al. Sci­ence Ad­van­ces 2024)

Die bei­den For­schen­den freu­en sich sicht­lich, die Ent­wick­lung künst­li­cher Mus­keln ei­nen ent­schei­den­den Schritt vor­an­ge­bracht zu ha­ben, doch sind sie auch rea­lis­tisch. Katz­sch­mann sagt: «Nun muss die­se Tech­no­lo­gie zur in­dus­tri­el­len Rei­fe ge­bracht wer­den, das kön­nen wir nicht hier im ETH-​Labor leis­ten. Oh­ne zu viel ver­ra­ten zu wol­len, kann ich aber sa­gen, dass es be­reits In­ter­es­se von Fir­men gibt, die mit uns zu­sam­men­ar­bei­ten möch­ten.» Mög­lich wä­re zum Bei­spiel, dass künst­li­che Mus­keln der­einst bei neu­ar­ti­gen Ro­bo­tern, Pro­the­sen oder so­ge­nann­ten Wea­ra­bles, al­so am Kör­per ge­tra­ge­ne Tech­no­lo­gien, ein­ge­setzt wer­den.

 

Li­te­ra­tur­hin­weis

Gra­vert SD, Va­ri­ni E, Ka­ze­mi­pour A, Mi­che­lis MY, Buch­ner T, Hin­chet R, Katz­sch­mann RK: Low-​voltage elec­tro­hy­drau­lic ac­tua­tors for unte­the­red ro­bo­tics. Sci­ence Ad­van­ces, 5. Ja­nu­ar 2024, doi: ex­ter­ne Sei­te10.1126/sci­adv.adi9319

Weitere Informationen:

https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2024/01/kuenstliche-mu…

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Peter Rüegg Hochschulkommunikation
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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