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Künstlicher Muskel mit Feingefühl

Von Rainer Scharf

Aus einem beschichteten Klebeband haben spanische Forscher einen sensiblen künstlichen Muskel hergestellt, der umso mehr Kraft aufbringt je mehr Widerstand er spürt.

Wie die Erfahrung lehrt, sollte man ein rohes Ei wesentlich behutsamer anfassen als einen Stein. Während wir dies ganz unwillkürlich tun, muss man einem Roboter das dazu nötige Feingefühl erst mühsam beibringen. Zahlreiche Sensoren helfen den künstlichen Muskeln einer Roboterhand dabei, "richtig" zuzugreifen. Einfacher wäre es, wenn jeder Muskel zugleich auch ein Sensor ist und die nötige Anspannung selbst regulieren kann. Der künstliche Muskel, den Toribio Fernández Otero und Maria Teresa Cortés von der Universidad Politécnica de Cartagena entwickelt haben, kommt diesem Ziel schon recht nahe.

(Bild)
Abb.: Legt man an den künstlichen Muskel eine elektrische Spannung, so krümmt er sich und schiebt dabei behutsam einen Gegenstand zu Seite. (Quelle. Otero)

Der Muskel besteht aus einem doppelseitigen Klebeband, auf dem zwei Schichten des Polymers Polypyrrol aufgetragen wurden. Das elektrisch nicht leitende Klebeband isoliert die leitfähigen Polymerschichten gegeneinander. Die spanischen Forscher hielten den Muskelstreifen an einem Ende fest und tauchten ihn in eine wässrige Lithiumchloratlösung. Ließen sie einen schwachen Strom durch die Polymerschichten fließen, so krümmte sich der Streifen langsam. Dabei konnte der nur wenige Milligramm schwere Streifen Hindernisse zur Seite schieben, die tausendmal schwerer waren als er.

Wieso krümmte sich der Muskelstreifen? Die Forscher ließen den Strom so fließen, dass die eine Polymerschicht die Anode war und die andere die Kathode. Während die eine Schicht Elektronen an die Lithiumchloratlösung abgab, nahm die andere Schicht Elektronen aus der Lösung auf. Dabei veränderten die Polymermoleküle ihre Gestalt und die eine Polymerschicht schwoll an, während sich die andere Schicht zusammenzog. Wurde die Richtung des Stroms umgekehrt, so krümmte sich der Muskelstreifen in die entgegengesetzte Richtung.

Wenn der sich krümmende Streifen auf ein nicht zu schweres Hindernis stieß, so schob er es zur Seite. Der dabei auf die eine Polymerschicht wirkende Druck veränderte ihre molekulare Struktur. Dadurch entwickelte sich eine elektrische Spannung zwischen beiden Polymerschichten, die umso größer war, je mehr Widerstand das Hindernis leistete. Der künstliche Muskel war zum Sensor geworden! Hielt man die Stromstärke konstant, so lieferte die Stromquelle genau so viel Energie, wie der Muskel benötigte, um das Hindernis behutsam wegzuschieben.

Inzwischen haben Otero und Cortés einen künstlichen Muskel hergestellt, der im Trockenen arbeitet und nicht mehr in eine Flüssigkeit eingetaucht werden muss. Die elektrolytische Flüssigkeit, mit der die Polymere Elektronen austauschen können, befindet sich bei diesem Muskel wohl verwahrt zwischen den beiden Polymerschichten. Nicht zuletzt für die Roboter ist das eine gute Nachricht. 

Quelle
T. F. Otero und M. T. Cortés, Artificial Muscles with Tactile Sensitivity, Advanced Materials 15, 279 (2003).
http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/abstract/103520700/START

Kontakt
Toribio Fernández Otero, E-Mail: toribio.fotero@upct.es

Weitere Infos
Artificial Muscle Research, Universität von Cartagena:
http://www.sc.ehu.es/qpwebem/MAIN/INDEX/RESEARCH/muscles/muscles.html

pro-physik.de v. 12.3.2003

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