Inspiriert von der Muskelstruktur könnte eine innovative neue Strategie zur Herstellung von Faseraktuatoren zu Fortschritten in der Robotik, Prothetik und intelligenter Kleidung führen, so ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Penn State, das den Prozess entdeckt hat.
„Aktuatoren sind alle Materialien, die sich unter äußeren Reizen verändern oder verformen, wie Teile einer Maschine, die sich zusammenziehen, verbiegen oder ausdehnen“, sagte Robert Hickey, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik an der Penn State. „Und für Technologien wie die Robotik müssen wir weiche, leichte Versionen dieser Materialien entwickeln, die im Grunde als künstliche Muskeln fungieren können. Bei unserer Arbeit geht es wirklich darum, einen neuen Weg zu finden, dies zu tun.“
Das Team entwickelte einen zweistufigen Prozess zur Herstellung von Faseraktuatoren, die die Struktur von Muskelfasern nachahmen und sich im Vergleich zu anderen aktuellen Aktuatoren in mehreren Aspekten auszeichnen, darunter Effizienz, Betätigungsdehnung und mechanische Eigenschaften. Sie berichteten heute (2. Juni) in der Zeitschrift über ihre Ergebnisse Natur Nanotechnologie.
„Dies ist ein großes Feld und es gibt eine Menge spannender Forschung da draußen, aber es hat sich wirklich auf technische Materialien zur Optimierung der Eigenschaften konzentriert“, sagte Hickey. „Was unsere Arbeit spannend macht, ist, dass wir uns wirklich auf die Verbindung zwischen Chemie, Struktur und Eigenschaft konzentrieren.“
Hickey leitete zuvor ein Team, das selbstorganisierende, nanostrukturierte Hydrogelmaterialien herstellte. Hydrogele sind Netzwerke aus Polymeren, die quellen und große Mengen Wasser aufnehmen können, während sie ihre Struktur beibehalten.
In der neuen Forschung fanden die Wissenschaftler heraus, dass Fasern aus diesem Hydrogel-Material sich im hydratisierten Zustand um ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Länge dehnen und aushärten und die längliche Form einschließen können, wenn sie im gedehnten Zustand getrocknet werden. Durch das Hinzufügen von Wasser oder Wärme kann das Material wieder in seine ursprüngliche Größe zurückkehren, was es für die Verwendung als Aktuator vielversprechend macht, sagten die Wissenschaftler.
„Wir begannen zu erkennen, dass sich diese Fasern zusammenziehen und einige wirklich faszinierende Eigenschaften zeigen“, sagte Hickey. „Als wir anfingen, die Struktur zu charakterisieren, stellten wir fest, dass hier einige grundlegend interessante Dinge vor sich gingen. Und wir begannen zu erkennen, dass die Struktur dieser natürlichen Muskeln in vielerlei Hinsicht nachgeahmt oder gespiegelt wurde.“
Die Materialien bestehen aus stark ausgerichteten Nanostrukturen mit abwechselnden kristallinen und amorphen Domänen, die dem geordneten und gestreiften Muster von Säugetier-Skelettmuskeln ähneln, sagten die Wissenschaftler.
Die außergewöhnlichen Dehnungseigenschaften der Hydrogele sind das Ergebnis der Kombination starrer amorpher Domänen im Nanomaßstab und Poren im Mikrometermaßstab, die mit Wasser gefüllt sind. Wenn die Hydrogele gedehnt werden, schnappen sie wie ein Gummiband zurück. Wenn die gestreckten Fasern im gestreckten Zustand getrocknet werden, kristallisiert das Polymernetzwerk und verriegelt die längliche Form der Fasern.
„Wir glauben, dass einer der Hauptgründe für diese außergewöhnlichen Eigenschaften darin besteht, dass die Fasern im Nanometerbereich sehr präzise organisiert sind, ähnlich wie das Sarkomer eines menschlichen Muskels“, sagte Hickey. „Was passiert, ist, dass Sie eine gleichmäßige Kontraktion haben. Diese amorphen Domänen sind alle genau entlang der Faser organisiert, und das bedeutet, dass sie sich in eine einzige Richtung zusammenziehen, was zu dieser Fähigkeit führt, zu diesem ursprünglichen Zustand zurückzukehren.“
Das Anwenden von Wasser oder Hitze auf die gedehnten Materialien schmilzt die Kristalle und lässt das Material in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Wenn das Material auf das Fünffache seiner ursprünglichen Länge gedehnt wird, kann es auf bis zu 80 % seiner Größe zurückkehren, und dies über viele Zyklen hinweg, ohne dass die Leistung nachlässt, sagten die Wissenschaftler.
„Die Tatsache, dass wir zwei verschiedene Stimuli, Hitze und Wasser, verwenden können, um eine Betätigung auszulösen, eröffnet doppelte Möglichkeiten für Materialien, die mit dieser Methode hergestellt werden“, sagte Hickey. „Die meisten Aktuatoren werden durch einen einzigen Stimulus ausgelöst. Doppelte Stimuli eröffnen die Vielseitigkeit unserer Materialien.“
Chao Lang et al, Nanostrukturierte Blockcopolymermuskeln, Natur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01133-0