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Dübendorf, St. Gallen, Thun – Forschende der Empa haben einen Meilenstein in der Entwicklung künstlicher Muskeln erreicht. Mit einer neuartigen 3D-Druckmethode lassen sich weiche, elastische und dennoch kraftvolle Strukturen herstellen, die zukünftig in Medizin, Robotik und Industrie Anwendung finden könnten.
Ein neuer Ansatz für künstliche Muskeln
Künstliche Muskeln sind eine vielversprechende Technologie mit weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten: Sie könnten Robotersysteme antreiben, Menschen mit Bewegungseinschränkungen unterstützen oder gar verletztes Muskelgewebe ersetzen. Bisher war ihre Herstellung jedoch mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden, da sie gleichzeitig weich, elastisch und leistungsfähig sein müssen.
Das Team aus dem Empa-Labor für Funktionspolymere hat nun eine Methode entwickelt, mit der solche komplexen Strukturen mittels 3D-Druck realisiert werden können. Die sogenannten dielektrischen elastischen Aktoren (DEA) bestehen aus zwei verschiedenen Silikonmaterialien: einem leitfähigen Elektrodenmaterial und einem nichtleitenden Dielektrikum. Diese Materialien sind schichtweise miteinander verbunden, vergleichbar mit ineinander verschränkten Fingern. Wird eine elektrische Spannung angelegt, zieht sich der Aktor wie ein Muskel zusammen, bei Abschaltung der Spannung kehrt er in seine Ausgangsform zurück.
Technische Herausforderungen gemeistert
Die Herstellung dieser Strukturen mittels 3D-Druck war eine anspruchsvolle Aufgabe. Die beiden Silikonmaterialien unterscheiden sich in ihren elektrischen Eigenschaften, mussten jedoch im Druckprozess kompatibel sein und sich nicht vermischen. Gleichzeitig mussten sie flexibel genug bleiben, um eine natürliche Bewegung zu ermöglichen. Eine weitere Herausforderung lag in den Anforderungen an 3D-druckbare Materialien: Sie müssen sich während des Druckprozesses verflüssigen, um durch die Düse gepresst zu werden, danach jedoch wieder verfestigen, um ihre Form zu behalten.
„Diese Eigenschaften stehen oft in direktem Widerspruch zueinander“, erklärt Empa-Forscher Patrick Danner. „Wenn man eine davon optimiert, verändern sich andere, oft zum Nachteil des Gesamtprozesses.“ Gemeinsam mit Forschenden der ETH Zürich gelang es Danner und Dorina Opris, Leiterin der Forschungsgruppe „Functional Polymeric Materials“, diese Herausforderungen zu meistern. Zwei speziell entwickelte Tinten aus dem Empa-Labor können mit einer innovativen Düse der ETH zu funktionalen Aktoren gedruckt werden.
Vielseitige Einsatzmöglichkeiten
Die Forschung ist Teil des Grossprojekts „Manufhaptics“, das sich mit der Entwicklung von Technologien zur Simulation von Berührung in virtuellen Umgebungen befasst. So sollen die künstlichen Muskeln beispielsweise in einem Handschuh integriert werden, der das Greifen von virtuellen Objekten simuliert.
Doch das Potenzial reicht weit darüber hinaus: Die neuartigen Aktoren sind leicht, geräuschlos und können in verschiedenen Formen produziert werden. In der Robotik und Automobilindustrie könnten sie herkömmliche Aktoren ersetzen, in der Medizin könnte künftig sogar Muskelgewebe nachgebildet werden.
„Wenn wir die gedruckten Fasern weiter verfeinern, kommen wir der natürlichen Muskelfunktion immer näher“, so Opris. „In der Zukunft könnte es sogar möglich sein, ein ganzes Herz aus diesen künstlichen Muskelfasern zu drucken.“ Bis es soweit ist, bleibt jedoch noch viel Forschungsarbeit zu leisten.
Herausgeber
Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
http://www.empa.ch
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