Ein neuer künstlicher Muskel aus Polymer kann sich kraftvoll zusammenziehen, wenn er etwa 42 °C erreicht – eine Temperatur, die der des menschlichen Körpers nahekommt.
Dieses Material wurde von Forschenden der Donghua-Universität in Shanghai gemeinsam mit einem Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich in Deutschland entwickelt. Es gehört zur Familie der Formgedächtnispolymere. Diese Materialien können unter dem Einfluss eines Reizes ihre Form verändern und anschließend eine bestimmte Konfiguration wieder annehmen. Hier nutzen die Forschenden sowohl Wärme als auch Wasser, um die Bewegung zu steuern.
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Um seine Funktionsweise zu verstehen, muss man die Struktur des Materials auf sehr kleiner Skala betrachten. Die Forschenden haben lange Ketten aus Polyacrylsäure mit einer Verbindung namens Tensid kombiniert. Einige Bereiche ziehen Wasser an, während andere vor allem auf die Temperatur reagieren.
Die Wärme wirkt wie ein Schalter. Das Tensid verändert bei etwa 42 °C seine Anordnung, wodurch die Bewegung des Polymers ausgelöst wird. Für ein thermisch angetriebenes Material bleibt diese Temperatur moderat. Dadurch lässt sich eine Kontraktion erzielen, ohne die Vorrichtung auf deutlich höhere Temperaturen erhitzen zu müssen.
Die Messungen vermitteln einen Eindruck von der erzielten Kraft. Wenn das Material an einer Bewegung gehindert wird, kann es eine Spannung von bis zu 6,4 Megapascal ausüben. Dieser Wert beschreibt die auf die Materialfläche bezogene Kraft. Ohne Belastung kann sich seine Länge um bis zu 79 % verändern. Diese Leistungen wurden bei einer Erwärmung auf etwa 42 °C gemessen.
Mit anderen Worten: Dasselbe Material kann je nach Einsatzweise eine beträchtliche Kraft oder eine deutliche Bewegung erzeugen. Die Forschenden berichten außerdem von reversiblen zyklischen Bewegungen, ohne eine äußere Kraft anwenden zu müssen, um das System zurückzusetzen. Ein künstlicher Muskel muss seine Kontraktionen wiederholen können, um in einer Maschine nützlich zu werden.
Diese Art von Material ist insbesondere für die weiche Robotik interessant. Klassische Roboter nutzen häufig Motoren und starre Mechanismen, um Bewegungen zu erzeugen. Ein Polymer, das sich direkt zusammenziehen kann, könnte weichere Vorrichtungen ermöglichen, etwa für Greifer, tragbare Systeme oder bestimmte vom menschlichen Körper inspirierte Maschinen. Die Studie befasst sich jedoch mit einem experimentellen Material und nicht mit einem Gerät, das bereits vermarktet werden kann.
Die Forschenden verfügen nun über eine Methode, um Kraft und Bewegungsamplitude dank der inneren Organisation des Polymers unabhängig voneinander einzustellen. Dieser Ansatz könnte dazu dienen, weitere weiche Aktoren für bestimmte Anwendungen zu entwickeln. Insbesondere muss noch geklärt werden, wie sich diese Materialien über lange Zeiträume und in vollständigen Vorrichtungen verhalten.