Formgedächtnispolymere sind aufgrund ihrer großen Dehnbarkeit und hervorragenden Formwiederherstellung vielversprechende Materialien in vielen neuen Anwendungen. Wenn sie gedehnt oder verformt werden, können Formgedächtnispolymere durch einfaches Anwenden von Wärme oder Licht in ihren normalen Zustand zurückkehren.
Diese Materialien sind vielversprechend für weiche Robotik, intelligente biomedizinische Geräte und entfaltbare Weltraumstrukturen, aber bis jetzt haben sie nicht genug Energie gespeichert, während sie gedehnt werden. Dies bedeutet, dass sie beim Dehnen nicht viel Energie freisetzen, was ihre Verwendung bei Aktivitäten mit Heben oder Bewegen von Gegenständen einschränkte.
Nun, der Forscher Zhenan Bao der Stanford University in Kalifornien und seinem Team haben ein Formgedächtnispolymer entwickelt für neue Robotermuskeln. Dank dieser Lösung können Roboter ihre Arme beim Erhitzen der Polymere selbstständig bewegen. Die neuen Polymere können Gegenstände bis zum 5000-fachen ihres Gewichts heben und lagern fast sechsmal mehr Energie als frühere Versionen.
Stärkere, leichtere und billigere Robotermuskeln
Durch Hitze oder Licht aktiviert, besitzt der neue künstliche Muskel ein Polymerskelett von Polypropylenglykol. Dazu fügten die Forscher Einheiten von 4-, 4'-Methylenbisphenylharnstoff. Im ursprünglichen Zustand dieser Polymere sind die Ketten des Materials verknotet und ungeordnet. Ihre Dehnung bewirkt die Ausrichtung der Polymerketten und die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Harnstoffgruppen, wodurch supermolekulare Strukturen entstehen, die es stabil und fest machen. Werden die Polymere dann auf 70 °C erhitzt, brechen die Wasserstoffbrückenbindungen wieder auf. Und was passiert? Der „Robotermuskel“ kann in seinen Ausgangszustand zurückkehren und dabei Energie aus den Bindungen freisetzen.
In Tests wurde das Polymer auf das Fünffache seiner ursprünglichen Länge gedehnt und bis zu 17,9 Joule Energie pro Gramm in seiner gedehnten Form gespeichert, das Sechsfache der meisten anderen Formgedächtnispolymere.
Um die Einsatzmöglichkeiten dieser Polymere zu demonstrieren, stellte das Team einen künstlichen Muskel her, indem es das vorgedehnte Polymer am Ober- und Unterarm einer Holzpuppe befestigte. Bei Erwärmung zieht sich das Material zusammen und zwingt die Puppe, den Arm am Ellbogen zu beugen.
