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.
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.
