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Ein künstlicher „Polymer“-Muskel hebt Gegenstände um das 5000-fache seines Eigengewichts

Können sich Roboter auf Muskeln verlassen, die auf Formgedächtnispolymeren basieren? Diese Materialien zeigen sehr vielversprechende Ergebnisse.

Gianluca Ricciodi Gianluca Riccio
in Technologie
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Polymere

Ein künstlicher Muskel aus einem länglichen Polymer mit Formgedächtnis zieht sich beim Erhitzen zusammen und biegt den Arm einer Puppe. Kredit: ACS Central Science

22 September 2021
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Formgedächtnispolymere sind aufgrund ihrer großen Dehnbarkeit und ausgezeichneten Formwiederherstellung vielversprechende Materialien für viele neue Anwendungen. Wenn sie gedehnt oder verformt werden, können Formgedächtnispolymere ihren normalen Zustand durch einfaches Anwenden von Wärme oder Licht wieder aufnehmen.

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.

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Polymere
Ein Beispiel für die Dynamik eines Formgedächtnispolymers.

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 verheddert und ungeordnet. Ihre Dehnung bewirkt die Ausrichtung der Polymerketten und die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Harnstoffgruppen, wodurch supermolekulare Strukturen entstehen, die es stabil und fest machen. Werden die Polymere anschließend 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 das vorgedehnte Polymer am Ober- und Unterarm einer hölzernen Schaufensterpuppe befestigt wurde. Beim Erhitzen zieht sich das Material zusammen und zwingt die Puppe, den Arm am Ellbogen zu beugen.

Neben ihrer rekordverdächtigen Energiedichte sind Formgedächtnispolymere auch kostengünstig. Die Rohstoffe zu ihrer Herstellung kosten rund 20 Euro pro Kilo. Auch der Herstellungsprozess sei einfach, sagen die Forscher. Unter mit den Muskeln der neuen Generation?

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