Wien/Boulder – Roboter sollen für viele künftige Anwendungen flexibel sein und zu großen Teilen aus weichen Materialien bestehen. Der aus Oberösterreich stammende Physiker Christoph Keplinger hat dazu mit Kollegen künstliche Muskeln aus Kunststoff, Pflanzenöl und Elektroden gebaut, die sich bei einem elektrischen "Reiz" zusammenziehen. Aufbau und Funktionsweise wurden nun in "Science" und "Science Robotics" veröffentlicht.

Mit künstlichen Muskeln könnte man zum Beispiel körperähnliche Prothesen bauen, erklärte Keplinger, der an der University of Colorado Boulder forscht. Sie seien auch ein zentrales Element für "Soft Robots" (Roboter aus weichen Materialien), die sich etwa bei Rettungsaktionen nach Erdbeben oder anderen Naturkatastrophen geschmeidig wie ein Oktopus zu Verschütteten durchzwängen könnten. Weiche Roboter könnten auch gefahrloser in der Nähe von Menschen arbeiten metallische Roboter, so der Forscher.

Gemeinsam mit Kollegen präsentierte er nun "hydraulisch verstärkte, selbstheilende, elektrostatische künstliche Muskeln", die Fachkollegen als "echten Durchbruch" und "qualitativen Sprung im Forschungsfeld" bezeichnen.

Elastomere und Rapsöl

Sie bestehen aus elastischen Kunststoffen, die nach dem Verformen wieder ihre ursprüngliche Gestalt annehmen (Elastomere), oder dünnen, sehr flexiblen Polymer-Plastik-Folien. Diese sind mit elektrisch nicht-leitenden (isolierenden) Flüssigkeiten gefüllt. "Wir verwenden Flüssigkeiten auf Pflanzenölbasis– reines Rapsöl funktioniert zum Beispiel sehr gut dafür", sagte Keplinger. Dadurch entsteht ein hydraulisches Element, das mit einem in Salzwasser gequollenen Gel beschichtet wird, welches sehr dehnbar ist und elektrische Ladungen leitet.

"Setzt man das Ganze unter Spannung, baut sich ein elektrisches Feld auf, das die verschiedenen Schichten durchdringt und eine elektrostatische Kraft auf die Flüssigkeit ausübt", erklärte der Forscher. Die weiche Hülle wird dadurch verformt, und es ergeben sich Bewegungen, die stark denen von Muskeln ähneln. Keplinger: "Auch die erreichbaren Dehnungen, Kräfte, die Energieeffizienz und Kontraktionsgeschwindigkeit gleichen oder übertreffen biologische Muskeln."

Sanft, kräftig und schnell

Die künstlichen Muskeln sind stark und sanft zugleich. Sie können etwa fragile und weiche Gegenstände wie ein rohes Ei oder eine Himbeere vorsichtig aufnehmen, ohne diese zu zerquetschen, aber auch mehrere Kilogramm stemmen. Auch schnelle Bewegungen sind damit möglich.

Je nach der Größe der Gel-Elektroden-Fläche kann man die elektrostatischen Kräfte unterschiedlich stark hydraulisch verstärken, so Keplinger: "Verwendet man eine größere Elektrodenfläche, wird mehr Öl verdrängt und man erhält mehr Deformation als bei einer kleineren Elektrodenfläche, wo weniger Verformung auftritt, die Kräfte aber umso stärker sind".

Günstige Herstellung

Im Gegensatz zu den bisher getesteten elektrostatischen "Aktuatoren" ohne Ölfüllung ist ein elektrischer Durchschlag für die neue Entwicklung nicht fatal, so der Forscher. Bei reinen Elastomer-Elementen brennt er permanent ein Loch hindurch, was sie als elektrische Isolatoren unbrauchbar macht. Die flüssigen Isolatoren etwa aus Pflanzenöl verteilen sich aber anschließend neu und heilen somit quasi selbst und ohne Hilfe von außen. "Außerdem arbeiten wir daran, dass die Außenfolien nach Schnitten oder Kratzern mechanisch ebenfalls selber heilen", so Keplinger: "Damit kommen wir dem Vorbild in der Natur immer näher."

Auch der Preis dieser künstlichen Muskeln kann sich sehen lassen. Da keine exotischen Materialien oder Herstellungsverfahren notwendig sind, kostet die Erzeugung der einfachsten Elemente derzeit gerade einmal zehn Cent. (APA, 4.1.2018)