Künstliche Muskeln aus dem 3D-Drucker könnten bald echte ersetzen

Roboter, die sich geschmeidig bewegen, oder künstliche Muskeln, die verletztes Gewebe ersetzen – das könnte in Zukunft Realität werden. Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben eine Methode entwickelt, um künstliche Muskeln mit einem 3D-Drucker herzustellen. Diese neuartigen Strukturen könnten in Medizin, Robotik und Industrie zum Einsatz kommen. Der Vorteil: Sie sind weich, elastisch und dennoch kraftvoll – fast wie echte Muskeln.

Wie künstliche Muskeln funktionieren

Künstliche Muskeln bestehen aus dielektrischen elastischen Aktoren (DEA). Diese Hightech-Bauteile ziehen sich zusammen und entspannen sich wieder – ähnlich wie biologische Muskeln. Dafür sorgen zwei speziell entwickelte Materialien:

• Leitfähige Elektroden, die elektrische Spannung erzeugen.
• Ein nichtleitendes Dielektrikum, das als flexible Schicht die Bewegung ermöglicht.

Wird Spannung an die Elektroden angelegt, zieht sich der künstliche Muskel zusammen. Schaltet man sie ab, kehrt er in seine Ausgangsform zurück.

3D-Druck macht neue Bauweisen möglich

Bisher waren künstliche Muskeln schwer herzustellen, da sie flexibel sein müssen, aber dennoch stabil bleiben sollen. Das Forschungsteam der Empa hat dieses Problem gelöst: Mit einer neu entwickelten 3D-Technologie können die komplexen Bauteile präzise gefertigt werden.

Laut Empa-Forscher Patrick Danner war das eine große Herausforderung. Die beiden verwendeten Materialien dürfen sich beim Drucken nicht vermischen, müssen aber trotzdem eng zusammenhalten. Außerdem müssen sie beim Drucken zunächst flüssig sein, danach aber schnell wieder ihre Form annehmen. „Diese Eigenschaften stehen oft in direktem Widerspruch zueinander“, sagt Danner. „Wenn man eine davon optimiert, verändern sich drei andere, meistens zum Nachteil.“

Kooperation mit der ETH Zürich

Die neue Druckmethode wurde gemeinsam mit Forschern der ETH Zürich entwickelt. Eine speziell designte Druckdüse sorgt dafür, dass die beiden Materialien optimal zusammengeführt werden. Zwei Spezialtinten, die an der Empa entwickelt wurden, ermöglichen die präzise Herstellung der künstlichen Muskeln.

Das Projekt ist Teil der Forschungsinitiative „Manufhaptics“, die sich mit fortschrittlichen Fertigungstechniken beschäftigt. Ziel ist es, einen Hightech-Handschuh zu entwickeln, mit dem virtuelle Objekte tastbar werden. Dabei erzeugen die künstlichen Muskeln einen Widerstand, der das Greifen realistischer macht.

Anwendung in Robotik und Medizin

Die neuen Aktoren sind nicht nur für VR-Technologien interessant. Dank ihres geräuschlosen und flexiblen Designs könnten sie herkömmliche Antriebe in Maschinen, Robotern oder Fahrzeugen ersetzen. Auch für die Medizin gibt es vielversprechende Ansätze.

Dorina Opris, Leiterin der Forschungsgruppe „Functional Polymeric Materials“, arbeitet mit ihrem Team bereits an neuen Varianten. Besonders elastische Fasern könnten künftig echten Muskelfasern sehr nahekommen. „Wenn wir die Fasern noch etwas dünner machen, sind wir echten Muskeln schon sehr nah“, sagt Opris.

In ferner Zukunft könnte diese Technologie möglicherweise sogar zur Herstellung kompletter Organe beitragen. Bis dahin gibt es jedoch noch zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher der Empa haben eine Methode entwickelt, künstliche Muskeln mithilfe eines 3D-Druckers herzustellen. Diese bestehen aus dielektrischen elastischen Aktoren, die sich durch elektrische Spannung zusammenziehen und entspannen, ähnlich wie biologische Muskeln.
• Eine spezielle 3D-Druck-Technologie ermöglicht die präzise Fertigung der komplexen Bauteile. Dabei müssen zwei unterschiedliche Materialien eng zusammenarbeiten, ohne sich zu vermischen, was eine große Herausforderung darstellt.
• Die neuen künstlichen Muskeln könnten in Robotik, Medizin und Industrie eingesetzt werden. Sie sind flexibel, geräuschlos und kraftvoll, sodass sie herkömmliche Antriebe ersetzen oder sogar für medizinische Anwendungen wie den Ersatz verletzten Gewebes genutzt werden könnten.

Übrigens: Zwar noch ohne künstliche Muskeln, dafür aber mit jeder Menge Geschmeidigkeit: Der humanoide Roboter Unitree G1 beherrscht nicht nur Kung-Fu-Techniken, sondern balanciert sogar rückwärts auf schmalen Flächen – mit Rucksack! Möglich macht das eine Kombination aus 43 beweglichen Gelenken, fortschrittlicher KI und präziser Sensorik. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Empa