Faszination Technik Künstliche Muskeln – leichter, robuster, sicherer

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ETH Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

Fsas Technologies GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: künstliche Muskeln, die dank eines neuartigen Aktuators schon mit geringer Spannung funktionieren.

Viele Robotiker träumen davon, Roboter nicht nur aus Metall oder anderen harten Materialien und Motoren zu bauen, sondern sie weicher und anpassungsfähiger zu gestalten. Weiche Roboter könnten ganz anders mit ihrer Umwelt interagieren; sie könnten beispielsweise wie menschliche Gliedmaßen Stöße abfedern oder mit Feingefühl etwas greifen. Auch aus energetischer Sicht wäre dies interessant, denn bisherige Antriebe benötigen meist viel Energie, um eine Position halten zu können, während weiche Systeme Energie auch gut speichern können. Was liegt also näher, als sich den menschlichen Muskel zum Vorbild zu nehmen und zu versuchen, dieses System nachzubauen?

So funktionieren künstliche Muskeln

Die Funktionsweise künstlicher Muskeln orientiert sich deshalb an der Biologie. Wie ihr natürliches Gegenstück ziehen sich die künstlichen Muskeln bei einem elektrischen Impuls zusammen. Allerdings bestehen die künstlichen Muskeln nicht aus Zellen und Fasern, sondern aus einem Beutel, der mit einer Flüssigkeit – meist Öl – gefüllt ist und dessen Hülle Elektroden enthält. Erhalten diese eine elektrische Spannung, ziehen sie sich zusammen und drücken die Flüssigkeit in den Rest des Beutels. Der Beutel spannt sich und kann beispielsweise ein Gewicht anheben. Ein Beutel steht dabei analog für kurzes Bündel an Muskelfasern; verbindet man mehrere davon, entsteht ein volles Antriebselement, das auch als Aktuator oder eben als künstlichen Muskel bezeichnet wird.

Zu hohe Spannung nötig

Die Idee, künstliche Muskeln zu entwickeln, ist nicht neu, nur gab es bis jetzt ein wesentliches Problem bei der Umsetzung: Die Aktuatoren funktionierten nur mit einer enorm hohen Spannung von circa 6.000 bis 10.000 Volt. Das hat gleich mehrere Auswirkungen.

• So mussten diese bis jetzt an große, schwere Spannungsverstärker angeschlossen werden,

• sie funktionierten nicht in Wasser,

• sie waren auch für Menschen nicht ganz ungefährlich.

Robert Katzschmann, Robotikprofessor an der ETH Zürich, Stephan-​Daniel Gravert und Elia Varini haben zusammen mit einem Forschungsteam jetzt ihre Version eines künstlichen Muskels vorgestellt, die gleich mehrere Vorteile aufweist.

Gravert, der als wissenschaftlicher Assistent bei Katzschmann im Labor arbeitet, hat eine neuartige Hülle für den Beutel konzipiert. Die Forschenden nennen die neuen künstlichen Muskeln Halve-​Aktuatoren, eine Abkürzung für hydraulically amplified low-​voltage electrostatic, zu Deutsch also „hydraulisch verstärkter elektrostatischer Niederspannungs-​Aktuator“.

Dadurch konnten die Forschenden auch die benötigte Spannung reduzieren, weil die viel höhere Permittivität des ferroelektrischen Materials große Kräfte trotz geringer Spannung zulässt.

Greifer und Fisch zeigen, was der Muskel kann

Die Forschenden veranschaulichen das Potenzial der Neuentwicklung in der Studie an zwei robotischen Beispielen.

• Ein 11 Zentimeter hoher Greifer hat zwei Finger, die durch je drei hintereinander geschaltete Beutel des  Aktuators bewegt werden. Er wird dazu über ein kleines, batteriebetriebenes Netzteil mit 900 Volt Spannung versorgt. Akku und Netzteil wiegen zusammen nur 15 Gramm. Der gesamte Greifer wiegt inklusive Leistungs-​ und Regelungselektronik nur 45 Gramm. Der Greifer kann ein glattes Kunststoffobjekt ausreichend fest greifen, um sein eigenes Gewicht zu tragen, wenn das Objekt mit einer Schnur in die Luft gehoben wird.

• Das zweite Objekt ist ein knapp 30 Zentimeter langer Fisch, der geschmeidig durchs Wasser schwimmt. Der Roboterfisch besteht aus einem Kopf, der die Elektronik enthält, und einem flexiblen Körper, an dem die Halve-​Aktuatoren befestigt sind. Diese Aktuatoren bewegen sich abwechselnd rhythmisch, was die Schwimmbewegung erzeugt. So erreicht der kabellose Fisch aus dem Stillstand in 14 Sekunden eine Geschwindigkeit von drei Zentimeter pro Sekunde – und das wohlgemerkt in normalem Leitungswasser.

Wasserdicht und selbst​verschließend

Das ist wichtig, denn es zeigt eine weitere Neuerung der Halve-​Aktuatoren: Da die Elektroden nicht mehr ungeschützt außen an der Hülle sitzen, sind die künstlichen Muskeln nun wasserdicht und können auch in leitenden Flüssigkeiten eingesetzt werden. Der Fisch demonstriert einen generellen Vorteil der Aktuatoren: die Elektroden sind vor der Umwelt geschützt, und umgekehrt ist auch die Umwelt vor den Elektroden geschützt. Man kann diese elektrostatischen Aktuatoren also im Wasser betreiben oder zum Beispiel anfassen. Durch den schichtartigen Aufbau der Beutel sind die neuen Aktuatoren robuster als andere künstliche Muskeln.

Die Beutel sollen sich ja idealerweise sehr viel und schnell bewegen. Nur kleinste Produktionsfehler – etwa ein Staubkorn zwischen den Elektroden – kann dabei zu einem elektrischen Durchschlag führen, einer Art Mini-​Blitzschlag. „Bei früheren Modellen hieß das: Die Elektrode verbrennt, es entsteht ein Loch in der Hülle, die Flüssigkeit tritt aus, und der Aktuator ist defekt“, erklärt Gravert. Bei den Halve-​Aktuatoren ist dieses Problem gelöst, denn ein einzelnes Loch verschließt sich durch die schützende Kunststoff-​Aussenschicht quasi von selbst. Der Beutel bleibt auch nach einem Durchschlag meist voll funktionsfähig.

Möglich wäre zum Beispiel, dass künstliche Muskeln bei neuartigen Robotern, Prothesen oder sogenannten Wearables, also am Körper getragenen Technologien, eingesetzt werden.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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