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Künstliche Muskeln: Dünne Fasern mit großer Kraft

Forscher am MIT haben künstliche Muskelfasern entwickelt, die bis zum 650-Fachen ihres Eigengewichts heben können.

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(Bild: Mehmet Kanik, Sirma Örgüç, Polina Anikeeva)

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Roboter bewegen ihre Gliedmaßen bislang zumeist mithilfe von Servomotoren und Getrieben. Künstliche Muskeln könnten geschmeidigere Bewegungen ermöglichen. Die bisher dazu entwickelten Lösungen haben jedoch Nachteile wie hohe Gewichte oder langsame Reaktionszeiten. Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben jetzt einen neuen, vielversprechenden Ansatz entdeckt.

Bei dieser Entdeckung sei ihnen der Zufall zu Hilfe gekommen, sagt Polina Anikeeva, Leiterin der Bioelectronics Group am MIT. Ursprünglich hatten sich die Forscher an der Gurkenpflanze orientiert, die sich mithilfe spiralförmiger Ranken nach oben zieht, um möglichst viel Licht zu empfangen. Diesen Effekt wollten sie nachvollziehen, indem sie zwei Polymere mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer Faser vereinten. Bei Erwärmung wird das Material, das sich schneller ausdehnen will, von dem anderen zurückgehalten, sodass sich die Faser biegt, eine Spirale bildet und dadurch verkürzt.

Als Anikeevas Mitarbeiter Mehmet Kanik jedoch die so produzierte Faser zum ersten Mal in die Hand nahm, stellte er fest, dass allein seine Körperwärme ausreichte, um eine erstaunlich starke Kontraktion zu bewirken. Aufbauend auf dieser Beobachtung konnten die Forscher zeigen, dass dieser Prozess der Kontraktion und Entspannung durch geringe Temperaturänderungen 10.000-mal wiederholt werden konnte. Die Fasern ließen sich mit Durchmessern von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern fertigen und könnten mehrere hundert Meter lang sein, so Anikeeva. Eine einzelne Faser sei in der Lage, das 650-fache ihres Eigengewichts zu heben.

Die Fasern könnten zukünftig auch mit Netzen aus Nanodrähten beschichtet werden, die zum einen als Sensoren Feedback über die aktuell wirkenden Kräfte geben, zum anderen als interne Wärmequelle dienen könnten. Die Fasern selbst können wiederum gebündelt werden, um größere Kräfte zu erzeugen. Neben anderen Anwendungen könnte diese Technologie deutlich leichtere Prothesen ermöglichen als bisher.

Die Möglichkeiten dieses Ansatzes seien praktisch unbegrenzt, sagt Kanik, da er mit nahezu jeder Kombination zweier Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten funktioniere. Die Entdeckung verglich er mit dem Öffnen eines Fensters, nur um "eine Menge weiterer Fenster zu sehen“, die darauf warteten geöffnet zu werden. (axk)