Wie entstehen künstliche Muskeln mit 3D-Druck?

Empa-Forscher haben eine Methode entwickelt, um weiche und elastische, aber dennoch leistungsstarke künstliche Muskeln mittels 3D-Druck herzustellen. Diese könnten künftig in der Medizin oder Robotik eingesetzt werden – überall dort, wo auf Knopfdruck Bewegung erforderlich ist.​

Künstliche Muskeln könnten nicht nur Roboter in Bewegung versetzen, sondern auch Menschen bei der Arbeit oder beim Gehen unterstützen oder verletztes Muskelgewebe ersetzen. Allerdings ist die Entwicklung künstlicher Muskeln, die mit echten vergleichbar sind, eine große technische Herausforderung. Um ihren biologischen Vorbildern nahe zu kommen, müssen künstliche Muskeln nicht nur leistungsstark, sondern auch elastisch und weich sein. Im Kern sind künstliche Muskeln sogenannte Aktuatoren: Komponenten, die elektrische Impulse in Bewegung umwandeln. Aktuatoren werden überall dort eingesetzt, wo sich auf Knopfdruck etwas bewegt, sei es zu Hause, im Automotor oder in hochentwickelten Industrieanlagen. Diese harten mechanischen Komponenten haben jedoch bisher wenig mit Muskeln gemeinsam.​

Ein Team von Forschern aus dem Empa-Labor für Funktionale Polymere arbeitet an Aktuatoren aus weichen Materialien. Erstmals haben sie eine Methode entwickelt, um solche komplexen Komponenten mittels 3D-Druck herzustellen. Die sogenannten dielektrischen elastischen Aktuatoren (DEA) bestehen aus zwei verschiedenen silikonbasierten Materialien: einem leitfähigen Elektrodenmaterial und einem nicht leitfähigen Dielektrikum. Diese Materialien greifen schichtweise ineinander. "Es ist ein bisschen wie das Ineinanderfalten der Finger", erklärt Empa-Forscher Patrick Danner. Wird eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt, zieht sich der Aktuator wie ein Muskel zusammen. Wird die Spannung abgeschaltet, entspannt er sich wieder in seine ursprüngliche Position.​

Der 3D-Druck einer solchen Struktur ist nicht trivial, weiß Danner. Trotz ihrer sehr unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften sollten sich die beiden weichen Materialien während des Druckvorgangs sehr ähnlich verhalten. Sie sollten sich nicht vermischen, aber dennoch im fertigen Aktuator zusammenhalten. Die gedruckten "Muskeln" müssen so weich wie möglich sein, damit ein elektrischer Impuls die erforderliche Verformung verursachen kann. Hinzu kommen die Anforderungen, die alle 3D-druckbaren Materialien erfüllen müssen: Sie müssen unter Druck verflüssigt werden, damit sie aus der Druckerdüse extrudiert werden können. Unmittelbar danach sollten sie jedoch zähflüssig genug sein, um die gedruckte Form beizubehalten. "Diese Eigenschaften stehen oft im direkten Widerspruch", sagt Danner. "Wenn man eine davon optimiert, ändern sich drei andere... meist zum Schlechteren."

In Zusammenarbeit mit einem Forschungsteam der ETH Zürich ist es Danner und Dorina Opris, die die Forschungsgruppe Funktionale Polymere leitet, gelungen, viele dieser widersprüchlichen Eigenschaften in Einklang zu bringen. Zwei spezielle Tinten, entwickelt an der Empa, werden mit einer von ETH-Forschenden entwickelten Düse zu funktionierenden weichen Aktuatoren gedruckt. Die Zusammenarbeit ist Teil des Großprojekts Manufhaptics, das zum strategischen Bereich Advanced Manufacturing des ETH-Bereichs gehört. Ziel des Projekts ist es, einen Handschuh zu entwickeln, der virtuelle Welten fühlbar macht. Die künstlichen Muskeln sollen durch Widerstand das Greifen von Objekten simulieren.​

Es gibt jedoch weit mehr potenzielle Anwendungen für weiche Aktuatoren. Sie sind leicht, geräuschlos und können dank des neuen 3D-Druckverfahrens nach Bedarf geformt werden. Sie könnten herkömmliche Aktuatoren in Autos, Maschinen und der Robotik ersetzen. Bei weiterer Entwicklung könnten sie auch für medizinische Anwendungen genutzt werden. Dorina Opris und Patrick Danner arbeiten bereits daran. Mit ihrem neuen Verfahren können nicht nur komplexe Formen, sondern auch lange elastische Fasern gedruckt werden. "Wenn es uns gelingt, sie nur ein wenig dünner zu machen, können wir der Funktionsweise echter Muskelfasern ziemlich nahekommen", sagt Opris. Die Forscherin glaubt, dass es in Zukunft möglich sein könnte, ein ganzes Herz aus diesen Fasern zu drucken. Bis ein solcher Traum Wirklichkeit wird, gibt es jedoch noch viel zu tun.

Quelle: Empa