Künstliche Muskeln wurden entwickelt, um Objekte zu heben, die 4.400 Mal schwerer sind als ihr eigenes Gewicht.

(Dan Tri) – Wissenschaftler haben eine neue Art von künstlichem Muskel entwickelt, der sowohl flexibel als auch stark genug ist, um schwere Gegenstände anzuheben. Dies eröffnet eine neue Ära für weiche Roboter und tragbare Geräte.

Neue Forschungsergebnisse: Humanoide Roboter können Gegenstände heben, die 4.000 Mal schwerer sind als ihr Körpergewicht (Illustration: livescience).

Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, das schwierige Problem der Balance zwischen Flexibilität und Kraft bei der Entwicklung künstlicher Muskeln zu lösen. Die bahnbrechenden Forschungsergebnisse wurden am 7. September in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.

Professor Hoon Eui Jeong, Maschinenbauexperte am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) und Hauptautor der Studie, betonte: „Diese Forschung hat die grundlegende Einschränkung herkömmlicher künstlicher Muskeln überwunden, die entweder hochdehnbar, aber schwach oder stark, aber steif sein können. Unser Verbundmaterial kann beides und eröffnet damit die Möglichkeit für flexiblere Softroboter, tragbare Geräte und intuitivere Mensch-Maschine-Schnittstellen.“

Künstliche Muskeln stoßen oft an ihre Grenzen, da ihre Flexibilität oder Steifigkeit begrenzt ist. Sie müssen dehnbar sein und gleichzeitig ausreichend Kraft abgeben, da sonst ihre Aktivitätsdichte eingeschränkt wird. Weiche künstliche Muskeln hingegen sind aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer mechanischen Anpassungsfähigkeit und ihrer Fähigkeit, multidirektionale (Bewegungs-)Aktuatoren zu übertragen, besonders beliebt.

Die Arbeitsdichte, also die Energiemenge pro Volumeneinheit, die ein Muskel abgeben kann, stellt eine große Herausforderung für künstliche Muskeln dar. Hohe Werte in Verbindung mit hoher Kontraktilität zu erreichen, ist ein Ziel, das Wissenschaftler ständig anstreben.

Der neue künstliche Muskel wird als „hochleistungsfähiger magnetischer Kompositaktor“ beschrieben – eine komplexe chemische Kombination aus Polymeren, die so miteinander verbunden sind, dass sie die Zug- und Entlastungskräfte eines Muskels nachahmen. Eines dieser Polymere kann in seiner Steifigkeit variieren und ist in eine Matrix eingebettet, deren Oberfläche mit magnetischen Mikropartikeln versehen ist, deren Eigenschaften ebenfalls gesteuert werden können. Dadurch lässt sich der Muskel ansteuern und steuern und somit Bewegungen erzeugen.

Das neue Design nutzt zwei unterschiedliche Vernetzungsmechanismen: ein kovalentes chemisches Netzwerk (zwei oder mehr Atome teilen sich Elektronen, um eine stabilere Konfiguration zu erreichen) und ein reversibles physikalisches Interaktionsnetzwerk. Diese beiden Mechanismen verleihen dem Muskel die nötige Kraft für dauerhafte Leistung.

Das Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Elastizität wird durch die doppelt vernetzte Struktur effektiv hergestellt. Das physikalische Netzwerk wird zusätzlich durch die Einbettung von Mikropartikeln (NdFeB) auf der mechanischen Oberfläche verstärkt, die anschließend mit einer farblosen Flüssigkeit (Octadecyltrichlorsilan) funktionalisiert werden können. Diese Partikel sind in der gesamten Polymermatrix dispergiert.

Der synthetische Muskel versteift sich unter hoher Belastung und entspannt sich bei Kontraktion. Im steifen Zustand kann der nur 1,13 Gramm schwere künstliche Muskel ein Gewicht von bis zu 5 Kilogramm tragen, was etwa dem 4400-Fachen seines Eigengewichts entspricht.

Die Forscher geben an, dass sich menschliche Muskeln bei etwa 40 % Spannung zusammenziehen, der synthetische Muskel jedoch 86,4 % erreichte – doppelt so viel wie menschliche Muskeln. Dies ermöglichte eine Arbeitsdichte von 1.150 Kilojoule pro Kubikmeter – 30-mal höher als die von menschlichem Gewebe.

Das Team führte einachsige Zugversuche durch, um die Festigkeit des künstlichen Muskels zu messen. Dabei wurde eine Zugkraft auf das Objekt ausgeübt, bis es brach, um die maximale Zugfestigkeit zu ermitteln.

Experten sagen, dieser Durchbruch eröffne Perspektiven für viele Bereiche, von der Softrobotik über die medizinische Rehabilitation bis hin zu intelligenten tragbaren Geräten und Mensch-Maschine-Schnittstellen.

Dank ihrer Flexibilität und Kraft können künstliche Muskeln der neuen Generation dazu beitragen, dass sich Roboter eleganter bewegen und gleichzeitig menschliche Bewegungen in anspruchsvollen biomedizinischen und industriellen Anwendungen präzise unterstützen.

Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/phat-trien-co-nhan-tao-nang-vat-nang-gap-4400-lan-trong-luong-20251104053327548.htm