So dünn wie ein Haar – Mikroroboter bewegt sich ohne Kabel

Eine haarfeine Kohlenstofffaser reagiert direkt auf Strom und wirkt wie ein winziger Muskel – ganz ohne Motor oder Kabel. Ein neuer Ansatz für präzise Mini-Greifer und Mikroroboter.

Winzige Maschinen gelten als Schlüssel für viele Zukunftstechnologien. Sie sollen in der Medizin helfen, in Laborgeräten arbeiten oder empfindliche Bauteile bewegen. Doch je kleiner ein System ist, desto schwieriger wird seine Steuerung. Kabel stören. Motoren sind oft zu groß. Beschichtungen machen alles kompliziert.

Eine neue Studie zeigt nun einen überraschend einfachen Weg. Forscher des Institute of Physical Chemistry an der Polish Academy of Sciences berichten in Nature Communications, dass sich eine ganz normale Kohlenstofffaser gezielt biegen lässt – allein durch elektrischen Strom. Die Faser ist etwa 10 Mikrometer dünn. Das entspricht ungefähr der Dicke eines menschlichen Haares.

Eine Faser bewegt sich – nur durch Strom

Im Experiment liegt die Faser in einer Flüssigkeit, die geladene Teilchen enthält, also Ionen. Die Wissenschaftler legen eine Spannung an. Ab etwas mehr als 2 Volt beginnt sich die Faser langsam zu krümmen. Bei 3 Volt erreicht sie ihre stärkste Auslenkung.

Die Bewegung ist deutlich messbar. Die Faser biegt sich um 0,55 Millimeter. Für so ein kleines Objekt ist das viel. Wird die Spannung wieder gesenkt, richtet sich die Faser auf. Der Vorgang lässt sich mehrfach wiederholen.

Das Besondere: Die Faser braucht kein direkt angeschlossenes Kabel. Sie bewegt sich drahtlos im elektrischen Feld.

Warum biegt sich die Kohlenstofffaser?

Der Grund liegt in der Oberfläche. Manche Kohlenstofffasern besitzen winzige Rillen. Diese sind nicht gleichmäßig verteilt. Auf einer Seite gibt es mehr kleine Vertiefungen als auf der anderen.

Wenn Strom fließt, lagern sich Ionen aus der Flüssigkeit an der Oberfläche an. Weil die Struktur ungleich ist, sammeln sich auf einer Seite mehr Ionen. Dort entsteht mehr Zugspannung. Die Faser krümmt sich zur anderen Seite.

Sinkt die Spannung, verlassen die Ionen die Oberfläche wieder. Die Faser wird gerade. Das Prinzip ist einfach: Mehr Ladung auf einer Seite bedeutet mehr Spannung – und damit Bewegung.

Zwei Fasern greifen wie eine Pinzette

Die Forscher testen auch eine zweite Anordnung. Sie befestigen zwei Fasern nebeneinander. Beide reagieren auf die angelegte Spannung. Bei 0 bis 3 Volt bewegen sie sich aufeinander zu: Sie berühren sich wie eine winzige Pinzette.

Diese Bewegung lässt sich mehrfach wiederholen. Auch kurze Stromimpulse von zwei Sekunden reichen aus, längere Impulse verstärken den Effekt.

Glatte Fasern ohne Rillen zeigen keine Bewegung. Auch ein menschliches Haar reagiert nicht. Damit ist klar: Die Struktur der Kohlenstofffaser ist entscheidend.

Warum ist das wichtig?

Bisher brauchten sogenannte künstliche Muskeln oft komplizierte Materialien. Sie bestanden aus mehreren Schichten oder speziellen Kunststoffen. Außerdem waren sie meist direkt verkabelt.

Hier reicht eine einfache Kohlenstofffaser. Keine Beschichtung, kein Motor, kein komplizierter Aufbau. Das spart Bauteile und macht Systeme kleiner.

Für künftige Mikroroboter könnte das ein Vorteil sein. Denkbar sind Anwendungen:

in winzigen Greifarmen für Laborsysteme
in Mikrorobotern für präzise Bewegungen
in technischen Bauteilen, die sich auf engstem Raum bewegen müssen

Die Studie versteht sich als erster Machbarkeitsnachweis. Studienleiter Wojciech Nogala und sein Team schreiben: „Wir haben erfolgreich eine freistehende Kohlenstofffaser elektrochemisch und drahtlos in Bewegung versetzt.“ Den Autoren zufolge könnten ihre Ergebnisse „das Werkzeugrepertoire in der Soft-Robotik und Mikromechanik erweitern.“

Bewegung entsteht im Material selbst

Das zentrale Prinzip lässt sich leicht zusammenfassen: Die Bewegung kommt nicht von außen. Sie entsteht im Material selbst. Strom sorgt dafür, dass sich geladene Teilchen ungleich verteilen. Diese ungleiche Verteilung erzeugt Spannung. Spannung erzeugt Biegung.

Die Faser wirkt damit wie ein sehr kleiner Muskel. Sie reagiert auf elektrische Impulse und kehrt danach in ihre Ausgangsform zurück. Die benötigte Spannung bleibt mit 2 bis 3 Volt relativ niedrig.

Die Forscher untersuchten auch die Oberfläche nach mehreren Durchläufen. Sie fanden chemische Veränderungen, die zeigen, dass Ionen aktiv beteiligt sind. Damit ist der Mechanismus klar belegt.

Die Arbeit zeigt vor allem eines: Für Bewegung im Mikromaßstab braucht es nicht immer komplexe Technik. Manchmal reicht es, vorhandene Materialeigenschaften klug zu nutzen.

Kurz zusammengefasst:

Eine haarfeine Kohlenstofffaser biegt sich bei 2 bis 3 Volt sichtbar – ganz ohne Kabel oder Motor.
Ursache ist eine ungleiche Verteilung von Ionen auf der Oberfläche, die eine Auslenkung von bis zu 0,55 Millimetern erzeugt.
Unbehandelte Kohlenstofffasern können drahtlos als winzige „Muskeln“ für künftige Mikroroboter dienen.

Übrigens: Während sich haarfeine Kohlenstofffasern bereits wie winzige Muskeln biegen lassen, arbeiten Forscher inzwischen an autonomen Mikrorobotern, kleiner als ein Salzkorn, die erstmals selbstständig messen, entscheiden und sich fortbewegen. Wie diese Maschinen eine 40 Jahre alte Grenze der Robotik überwinden, mehr dazu in unserem Artikel.