Wissenschaftler entwickeln strapazierfähiges Material für flexible künstliche Muskeln

Materialwissenschaftler der UCLA und Kollegen des gemeinnützigen wissenschaftlichen Forschungsinstituts SRI International haben ein neues Material und einen neuen Herstellungsprozess entwickelt, um künstliche Muskeln herzustellen, die stärker und flexibler sind als ihre biologischen Gegenstücke.

„Die Schaffung eines künstlichen Muskels, der Arbeit ermöglicht und Kraft und Berührung erkennt, war eine der großen Herausforderungen von Wissenschaft und Technik“, sagte Qibing Pei, Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UCLA Samueli School of Engineering und korrespondierender Autor von a Studie kürzlich erschienen in Wissenschaft.

Damit ein weiches Material für den Einsatz als künstlicher Muskel in Frage kommt, muss es mechanische Energie abgeben können und unter hohen Belastungsbedingungen einsatzfähig bleiben – das heißt, es verliert nach wiederholten Arbeitszyklen nicht so leicht seine Form und Festigkeit. Während viele Materialien als Kandidaten für die Herstellung künstlicher Muskeln angesehen wurden, waren dielektrische Elastomere (DE) – leichte Materialien mit hoher elastischer Energiedichte – aufgrund ihrer optimalen Flexibilität und Zähigkeit von besonderem Interesse.

Dielektrische Elastomere sind elektroaktive Polymere, bei denen es sich um natürliche oder synthetische Substanzen handelt, die aus großen Molekülen bestehen, die ihre Größe oder Form ändern können, wenn sie durch ein elektrisches Feld angeregt werden. Sie können als Aktuatoren verwendet werden, die es Maschinen ermöglichen, zu arbeiten, indem sie elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln.

Die meisten dielektrischen Elastomere bestehen entweder aus Acryl oder Silikon, aber beide Materialien haben Nachteile. Während herkömmliche Acryl-DEs eine hohe Betätigungsdehnung erreichen können, erfordern sie eine Vordehnung und sind nicht flexibel. Silikone sind einfacher herzustellen, können aber hohen Belastungen nicht standhalten.

Das von der UCLA geleitete Forschungsteam hat unter Verwendung handelsüblicher Chemikalien und eines Aushärtungsprozesses mit ultraviolettem (UV) Licht ein verbessertes Material auf Acrylbasis entwickelt, das biegsamer, anpassbarer und einfacher zu skalieren ist, ohne seine Festigkeit und Ausdauer zu verlieren. Während die Acrylsäure die Bildung von mehr Wasserstoffbrückenbindungen ermöglicht und damit das Material beweglicher macht, passten die Forscher auch die Vernetzung zwischen den Polymerketten an, wodurch die Elastomere weicher und flexibler wurden. Der resultierende dünne, verarbeitbare dielektrische Hochleistungs-Elastomerfilm oder PHDE wird dann zwischen zwei Elektroden gelegt, um als Aktuator elektrische Energie in Bewegung umzuwandeln.

Jeder PHDE-Film ist so dünn und leicht wie ein Stück menschliches Haar, etwa 35 Mikrometer dick, und wenn mehrere Schichten aufeinander gestapelt werden, werden sie zu einem Miniatur-Elektromotor, der wie Muskelgewebe wirken und genug Energie erzeugen kann, um Bewegung für kleine zu erzeugen Roboter oder Sensoren. Die Forscher haben Stapel von PHDE-Filmen hergestellt, die zwischen vier und 50 Schichten variieren.

„Dieser flexible, vielseitige und effiziente Aktuator könnte die Tore für künstliche Muskeln in neuen Generationen von Robotern oder in Sensoren und tragbarer Technologie öffnen, die menschenähnliche Bewegungen und Fähigkeiten genauer nachahmen oder sogar verbessern können“, sagte Pei.

Künstliche Muskeln, die mit PHDE-Aktuatoren ausgestattet sind, können mehr Megapascal an Kraft erzeugen als biologische Muskeln und sie zeigen auch eine drei- bis zehnmal höhere Flexibilität als natürliche Muskeln.

Mehrschichtige Weichfilme werden normalerweise über ein „nasses“ Verfahren hergestellt, bei dem flüssiges Harz abgeschieden und ausgehärtet wird. Dieser Prozess kann jedoch zu ungleichmäßigen Schichten führen, die zu einem Aktuator mit schlechter Leistung führen. Aus diesem Grund haben sich viele Aktoren bisher nur mit einlagigen DE-Folien durchgesetzt.

Die UCLA-Forschung umfasst einen „trockenen“ Prozess, bei dem die Filme mit einer Klinge geschichtet und dann zum Aushärten UV-gehärtet werden, wodurch die Schichten gleichmäßig werden. Dadurch erhöht sich die Energieabgabe des Aktuators, sodass das Gerät komplexere Bewegungen unterstützen kann.

Der vereinfachte Prozess ermöglicht zusammen mit der flexiblen und haltbaren Natur des PHDE die Herstellung neuer weicher Aktuatoren, die sich zum Springen biegen können, wie Spinnenbeine, oder sich aufwickeln und drehen. Die Forscher demonstrierten auch die Fähigkeit des PHDE-Aktuators, einen erbsengroßen Ball zu werfen, der 20-mal schwerer ist als die PHDE-Filme. Der Aktuator kann sich beim Ein- und Ausschalten einer Spannung wie eine Membran ausdehnen und zusammenziehen, was einen Ausblick auf den Einsatz künstlicher Muskeln in der Zukunft gibt.

Der Fortschritt könnte zu weichen Robotern mit verbesserter Mobilität und Ausdauer sowie zu neuen tragbaren und haptischen Technologien mit Tastsinn führen. Der Herstellungsprozess könnte auch auf andere weiche Dünnschichtmaterialien für Anwendungen wie Mikrofluidiktechnologien, Tissue Engineering oder Mikrofabrikation angewendet werden.