Mit künstlichen Muskeln stärkt die JKU Roboter

Linzer Forscher entwickeln seit einigen Jahren Bauteile, die elektrische Signale in Bewegungen umwandeln – sogenannte Aktuatoren. Im Fachmagazin "Nature Electronics" stellt die Gruppe nun zusammen mit Kollegen aus Italien eine Weiterentwicklung vor: "künstliche Muskeln", die ihre Kraft theoretisch unendlich lange halten können. Das eröffne neue Möglichkeiten, um etwa Elektromotoren in Geräten zu ersetzen.

Martin Kaltenbrunner und sein Team von der Abteilung Physik der Weichen Materie und dem "LIT Soft Materials Lab" der JKU konnten in den vergangenen Jahren bereits mit erstaunlichen Entwicklungen zu beweglichen Maschinen und Robotern auf Basis weicher Werkstoffe aufwarten. Dazu zählen Systeme, die man als "künstliche Muskeln" bezeichnen kann.

Nun wurden diese weiterentwickelt: Die "elektrostatischen Aktuatoren" sind quasi Taschen, die aus Kunststofffolien bestehen und mit Öl gefüllt sind. An den Außenseiten werden Elektroden angebracht. Legt man dann Spannung an, ziehen die Folien einander an und verdrängen das Öl. So entsteht eine Bewegung, wie sie auch ein Muskel beim Anspannen vollzieht.

Das Problem war bisher, dass diese Roboter-Muskeln die Kraft nicht über längere Zeit halten konnten. In der nun vorliegenden Arbeit erklären die Wissenschafter theoretisch, was physikalisch zwischen den sich anziehenden Folien geschieht, und liefern experimentelle Umsetzungen. Durch bessere Modelle konnten die Forscher genauer vorhersagen, wie sich das Material unter Spannung verhält.

Das brachte Lösungen für das Problem des Kraftverlustes: In einem Video zu der Studie illustrieren die Forscher das mit mechanischen Armen, die ein 10-Gramm-Gewicht hochheben. Der Aufbau mit herkömmlichen Materialien kann die Last nicht durchgehend halten, während ein Aktuator aus Biopolyester durchhält.

Basis für neue Entdeckungen

Auf Basis der theoretischen Arbeit könnten gezielt neue Materialien mit den gewünschten Eigenschaften gefunden werden, zeigt sich JKU-Physiker David Preninger überzeugt. Auch wesentlich energiesparendere Materialkombinationen seien möglich. Ein entscheidender Vorteil der nun verbesserten Aktuatoren ist, dass sie im Vergleich zu momentan vielfach eingesetzten elektromagnetischen Motoren sehr leicht und damit effizient sind.