💪 Diese künstlichen Sehnen machen Roboter 30-mal stärker

Die Grenze zwischen lebendem Gewebe und Maschine verwischt in den Laboren des MIT. Ingenieure haben dort eine von der Biologie inspirierte Schnittstelle entwickelt, die im Labor gezüchteten Muskeln ermöglicht, robotische Strukturen zu bewegen. Dieser Ansatz überwindet eine wichtige Schwierigkeit bei biohybriden Robotern, indem er sich auf ein grundlegendes Prinzip der tierischen Anatomie stützt.

Das Herzstück der Innovation liegt in der Schaffung künstlicher Sehnen. Als mechanische Vermittler zwischen biologischem Material und synthetischen Teilen konzipiert, werden diese Sehnen aus einem speziellen Hydrogel hergestellt. Zusammen bilden Muskel und dieses Hydrogel eine kohärente funktionelle Einheit. Diese Architektur reproduziert das natürliche Schema Muskel-Sehne-Knochen und optimiert so die Übertragung der Kontraktionskraft auf einen robotischen Aktuator, wie eine Greiferzange.

Das biomechanische Prinzip: Eine intelligente Verbindung

Die Hauptschwierigkeit bei biohybriden Robotern lag in der mechanischen Inkompatibilität zwischen der hohen Flexibilität des Muskelgewebes und der Steifheit der künstlichen Skelette. Eine direkte Befestigung führte oft zur Beschädigung des Muskels oder zu Energieverlust. Das Team des MIT löste dieses Problem, indem es sich von der Natur inspirieren ließ, wo Sehnen genau als Übergangselemente dienen.

Die Forscher modellierten das System als eine Ansammlung von drei Elementen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die den Muskel, die Sehnen und das robotische Skelett darstellen. Diese Modellierung ermöglichte es, die ideale Steifigkeit der künstlichen Sehnen zu berechnen, um maximale Kraft zu übertragen, ohne den Muskel zu schädigen. Das gewählte Material, ein Hydrogel, wurde so entworfen, dass es genau diese Eigenschaft besitzt.

Einmal hergestellt, wurden diese Hydrogelkabel an den Enden eines Muskelstreifens befestigt. Das Ganze wurde dann mit den Fingern einer robotischen Greifzange verbunden. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Kontraktionskraft auf die gewünschte Bewegung zu konzentrieren und so die Energieverschwendung früherer Entwürfe zu vermeiden.

Erhöhte Leistung und eine neue Modularität

Die in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlichten Ergebnisse sind eindeutig. Im Vergleich zu einem System, bei dem der Muskel direkt am Skelett befestigt ist, ermöglichte die Vorrichtung mit künstlichen Sehnen der Greifzange, sich dreimal schneller zu schließen. Noch bemerkenswerter ist, dass die ausgeübte Kraft um den Faktor 30 erhöht wurde. Dieser Anstieg zeigt die Verbesserung des mechanischen Transfers.

Die Robustheit des Systems wurde ebenfalls getestet, wobei die Muskel-Sehnen-Einheit ihre Leistung über mehr als 7.000 Kontraktionszyklen beibehielt. Die Forscher geben an, dass das Leistungsgewicht des Systems um das Elffache erhöht wurde. Eine kleine Menge Muskelgewebe, richtig angeschlossen, kann daher eine viel effektivere Bewegung ausführen.

Dieser Durchbruch führt ein hohes Maß an Modularität in den Entwurf biohybrider Roboter ein. Wie Ritu Raman betont, wirken die künstlichen Sehnen als austauschbare Verbinder. Dieser Ansatz macht es möglich, Systeme verschiedener Art zusammenzubauen, sei es für mikrometergroße chirurgische Werkzeuge oder autonome Geräte, wobei jedes Mal die geeignete Antriebseinheit ausgewählt wird.