Künstlicher Muskel für Roboter passt sich an, heilt sich selbst – und lässt sich wiederverwenden
In Seoul entstand ein künstlicher Muskel, der selbstheilend ist, seine Form ändern kann und nach Schäden weiterarbeitet.
Ein flexibler Roboterarm in Bewegung – solche Systeme könnten künftig dank selbstheilender künstlicher Muskeln ihre Form anpassen und auch nach Schäden weiterarbeiten. (Symbolbild) © Unsplash
Soft-Roboter gelten seit Jahren als große Hoffnung der Technik. Künstliche Muskeln bewegen ihre Greifarme, steuern biegsame Bauteile und lassen Geräte leicht vibrieren oder sich minimal bewegen. Doch bisher gibt es ein großes Problem: Ist so ein System einmal gebaut, bleibt seine Bewegung meist festgelegt. Sobald sich die Aufgabe ändert, braucht es oft eine neue Konstruktion.
Nun kommt aus Südkorea ein neuer Ansatz. Ein Team des Seoul National University College of Engineering hat einen künstlichen Muskel entwickelt, der sich im laufenden Betrieb verändern kann. Das Material reagiert auf Wärme und Magnetfelder, ordnet seine Form neu und bleibt sogar nach Schäden weiter nutzbar.
Neuer künstlicher Muskel für Roboter reagiert flexibel auf Veränderungen
Bei den weichen Bauteilen handelt es sich um sogenannte dielektrische Elastomer-Aktoren. Diese wandeln Strom in Bewegung um. Sie arbeiten leicht, schnell und präzise. Deshalb gelten sie als interessante Technik für Roboter in Fabriken, für tragbare Geräte oder für medizinische Hilfen, die sich flexibel an den Körper anpassen sollen.
Die Schwachstelle lag bisher in der Elektrode. Sie legt fest, wie sich der künstliche Muskel bewegt. Ist ihr Muster einmal vorgegeben, bleibt auch die Funktion starr. Soll ein Roboter später andere Aufgaben übernehmen, braucht es oft ein neues Design. Das macht die Entwicklung teuer und bremst Anwendungen aus, die im Alltag besonders nützlich wären: etwa schonende Greifer, anpassungsfähige Prothesen oder flexible Technik für den Körper.
Material wechselt gezielt zwischen fest und flüssig
Die neue Studie, veröffentlicht in Science Advances, beschreibt eine Lösung mit einem ungewöhnlichen Material. Es handelt sich um ein sogenanntes ferrofluides Gel. Darin stecken winzige magnetische Partikel, die auf äußere Felder reagieren.
Dieses Material kann zwei Zustände annehmen:
- Im festen Zustand bleibt es stabil und elastisch
- Im flüssigen Zustand lässt es sich verschieben und neu formen
Der Wechsel gelingt durch moderate Erwärmung oder durch ein Magnetfeld. So lässt sich die Elektrode während des Betriebs anpassen.
Bewegungen lassen sich anders einstellen – ohne Neubau
Ein einzelner Aktor kann mehrere Bewegungen ausführen. Die Elektrode lässt sich verschieben, teilen oder neu anordnen. Dadurch entstehen unterschiedliche Bewegungsmuster.
Das spart Aufwand. Statt mehrere Systeme zu bauen, reicht künftig ein einziges. Die Anpassung erfolgt direkt im Einsatz. In der Industrie oder bei Robotern mit wechselnden Aufgaben ist das ein klarer Vorteil.
Selbstheilung verhindert Ausfälle
Besonders spannend ist die Fähigkeit zur Selbstreparatur. Wird die Elektrode beschädigt, kann sie sich wieder verbinden. Dafür wechselt das Material in den flüssigen Zustand und schließt die Lücke.
Auch bei elektrischen Defekten bleibt das System funktionsfähig. Beschädigte Bereiche lassen sich umgehen. Der Rest arbeitet weiter. Das erhöht die Zuverlässigkeit deutlich.
„Diese Studie stellt einen Durchbruch dar, weil wir bisher starre und passive Elektroden in ‚lebende, programmierbare Elemente‘ verwandeln“, schreiben die Entwickler.
Wiederverwendung spart Material und Ressourcen
Neben der Anpassungsfähigkeit spielt auch die Nachhaltigkeit eine Rolle. Das Material lässt sich nach dem Einsatz entnehmen und erneut verwenden. In Versuchen blieb die Leistung stabil.
Die wichtigsten Ergebnisse:
- Rückgewinnungsrate von rund 91 Prozent
- stabile Leistung auch nach mehreren Zyklen
- kein kompletter Austausch des Systems nötig
Das reduziert Materialverbrauch und Kosten. Zudem verlängert sich dadurch die Lebensdauer der Bauteile.
Mehr Freiheit bei der Konstruktion von Robotern
Die neue Technik eröffnet Spielraum für Konstrukteure. Ein Roboter kann künftig mehrere Aufgaben übernehmen. Seine Bewegungen lassen sich anpassen, ohne dass Hardware ersetzt werden muss.
Ho-Young Kim beschreibt das so: „Wir haben gezeigt, dass eine einzige Roboterstruktur praktisch unbegrenzt viele Bewegungsformen erzeugen kann.“
Das gilt nicht nur für einfache Bewegungen. Auch komplexe Abläufe lassen sich kombinieren. Ein System kann greifen, drücken oder sich biegen – je nach Bedarf.
Anwendungen reichen von Medizin bis Industrie
Die Einsatzmöglichkeiten sind breit gefächert. Besonders relevant sind Bereiche, in denen Flexibilität zählt:
- weiche Greifer für empfindliche Produkte wie Obst
- tragbare Geräte mit beweglichen Komponenten
- medizinische Systeme, die sich an den Körper anpassen
- flexible Displays mit veränderbarer Form
Auch in rauen Umgebungen zeigt die Technik Vorteile. Dort können Bauteile beschädigt werden. Ein System, das sich selbst anpasst, bleibt länger einsatzfähig.
Wie Materialwissenschaft und Maschinenbau zusammenwirken
Der Fortschritt entsteht aus der Verbindung zweier Disziplinen. Materialwissenschaft liefert den anpassungsfähigen Stoff. Maschinenbau sorgt für die Umsetzung im System. „Diese selbstheilende und formveränderbare Elektrodentechnologie wird eine wichtige Grundlage für nachhaltige Soft-Robotik der nächsten Generation sein“, prophezeit Studienautor Jeong-Yun Sun.
Bauteile sind dann nicht mehr nur passive Komponenten, sie werden zu aktiven Elementen, die sich an ihre Umgebung anpassen.
Kurz zusammengefasst:
- An der Seoul National University wurde ein künstlicher Muskel für Roboter entwickelt, dessen Elektrode zwischen festem und flüssigem Zustand wechseln und sich dadurch im Betrieb neu anordnen kann.
- Das löst ein zentrales Problem bisheriger Systeme: Statt nur eine fest vorgegebene Bewegung auszuführen, kann derselbe Aktor verschiedene Aufgaben übernehmen und nach Schäden weiterarbeiten.
- Besonders wichtig ist der nachhaltige Ansatz: Das Material repariert sich teilweise selbst, umgeht defekte Stellen und ließ sich in den Versuchen mit einer Rückgewinnungsrate von rund 91 Prozent wiederverwenden.
Übrigens: Während neue künstliche Muskeln Roboter flexibler und widerstandsfähiger machen sollen, geht ein anderes Forschungsteam noch einen Schritt weiter – und gibt der Hand gleich ein Eigenleben. Eine abnehmbare Roboterhand löst sich vom Arm, krabbelt selbstständig durch enge Zwischenräume und holt dort Werkzeuge oder Bauteile zurück – mehr dazu in unserem Artikel.
Bild: © Unsplash
