Künstliche „Muskeln“ erreichen starke Zugkraft

Wenn eine Gurkenpflanze wächst, sprießt sie eng gewickelte Ranken, die Stützen suchen, um die Pflanze nach oben zu ziehen. Dies stellt sicher, dass die Pflanze so viel Sonnenlicht wie möglich erhält. Jetzt haben Forscher am MIT einen Weg gefunden, diesen Wickel- und Zugmechanismus nachzuahmen, um kontrahierende Fasern herzustellen, die als künstliche Muskeln für Roboter, Prothesen oder andere mechanische und biomedizinische Anwendungen verwendet werden könnten.

Während viele verschiedene Ansätze verwendet wurden, um künstliche Muskeln zu erzeugen, einschließlich hydraulischer Systeme, Servomotoren, Formgedächtnismetalle und Polymere, die auf Reize reagieren, haben sie alle Einschränkungen, einschließlich hohem Gewicht oder langsamen Reaktionszeiten. Das neue faserbasierte System ist dagegen extrem leicht und kann sehr schnell reagieren, sagen die Forscher. Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Science berichtet.

Die neuen Fasern wurden vom MIT-Postdoc Mehmet Kanik und der MIT-Doktorandin Sirma Örgüç in Zusammenarbeit mit den Professoren Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan und C. Cem Taşan und fünf anderen unter Verwendung einer Faserziehtechnik entwickelt, um zwei unterschiedliche Polymere zu einem einzigen Faserstrang zu kombinieren.

Der Schlüssel zum Prozess ist die Verbindung zweier Materialien, die sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben — das heißt, sie haben unterschiedliche Ausdehnungsraten, wenn sie erhitzt werden. Dies ist das gleiche Prinzip, das in vielen Thermostaten verwendet wird, beispielsweise unter Verwendung eines Bimetallstreifens zur Temperaturmessung. Wenn sich das verbundene Material erwärmt, wird die Seite, die sich schneller ausdehnen möchte, vom anderen Material zurückgehalten. Infolgedessen kräuselt sich das gebundene Material und biegt sich zu der Seite, die sich langsamer ausdehnt.

Kredit: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Mit zwei verschiedenen Polymeren, die miteinander verbunden sind, einem sehr dehnbaren cyclischen Copolymer-Elastomer und einem viel steiferen thermoplastischen Polyethylen, produzierten Kanik, Örgüç und Kollegen eine Faser, die sich, wenn sie auf ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Länge gedehnt wird, auf natürliche Weise zu einer engen Spule formt, die den Ranken, die Gurken produzieren, sehr ähnlich ist. Aber was als nächstes passierte, kam tatsächlich überraschend, als die Forscher es zum ersten Mal erlebten. „Da war viel Zufall dabei“, erinnert sich Anikeeva.

Sobald Kanik die aufgerollte Faser zum ersten Mal aufnahm, rollte sich die Faser allein durch die Wärme seiner Hand fester zusammen. Im Anschluss an diese Beobachtung stellte er fest, dass selbst ein geringer Temperaturanstieg die Spule straffen und eine überraschend starke Zugkraft erzeugen könnte. Sobald die Temperatur wieder gesunken war, kehrte die Faser zu ihrer ursprünglichen Länge zurück. In späteren Tests zeigte das Team, dass dieser Prozess der Kontraktion und Expansion 10.000 Mal wiederholt werden konnte, „und es war immer noch stark“, sagt Anikeeva.

Kredit: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Einer der Gründe für diese Langlebigkeit ist, dass „alles unter sehr moderaten Bedingungen funktioniert“, einschließlich niedriger Aktivierungstemperaturen. Schon ein Anstieg von 1 Grad Celsius kann ausreichen, um die Faserkontraktion zu starten.

Die Fasern können eine breite Palette von Größen umfassen, von einigen Mikrometern (Millionstel Meter) bis zu einigen Millimetern (Tausendstel Meter) in der Breite, und können in den Reihen bis zu Hunderten von Metern lang leicht hergestellt werden. Tests haben gezeigt, dass eine einzelne Faser Lasten bis zum 650-fachen ihres Eigengewichts heben kann. Für diese Experimente an einzelnen Fasern haben Örgüç und Kanik spezielle, miniaturisierte Testaufbauten entwickelt.

Kredit: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Der Grad der Straffung, der auftritt, wenn die Faser erhitzt wird, kann „programmiert“ werden, indem bestimmt wird, wie viel von einer anfänglichen Dehnung der Faser gegeben wird. Dadurch kann das Material genau auf die erforderliche Kraft und die erforderliche Temperaturänderung abgestimmt werden, um diese Kraft auszulösen.

Die Fasern werden mit einem Faserziehsystem hergestellt, das es ermöglicht, andere Komponenten in die Faser selbst einzubauen. Das Faserziehen erfolgt durch Erstellen einer übergroßen Version des Materials, einer so genannten Vorform, die dann auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, bei der das Material viskos wird. Es kann dann gezogen werden, ähnlich wie beim Ziehen von Taffy, um eine Faser zu erzeugen, die ihre innere Struktur beibehält, aber einen kleinen Bruchteil der Breite des Vorformlings ausmacht.

Zu Testzwecken beschichteten die Forscher die Fasern mit Maschen aus leitfähigen Nanodrähten. Diese Maschen können als Sensoren verwendet werden, um die genaue Spannung aufzudecken, die von der Faser erfahren oder ausgeübt wird. In Zukunft könnten diese Fasern auch Heizelemente wie optische Fasern oder Elektroden enthalten, die eine Möglichkeit bieten, sie intern zu erwärmen, ohne auf eine externe Wärmequelle angewiesen zu sein, um die Kontraktion des „Muskels“ zu aktivieren.“

Solche Fasern könnten als Aktuatoren in Roboterarmen, Beinen oder Greifern und in Prothesen Verwendung finden, wo ihr geringes Gewicht und ihre schnellen Reaktionszeiten einen signifikanten Vorteil bieten könnten.

Einige Prothesen können heute bis zu 30 Pfund wiegen, wobei ein Großteil des Gewichts von Aktuatoren stammt, die oft pneumatisch oder hydraulisch sind; leichtere Aktuatoren könnten somit das Leben für diejenigen, die Prothesen verwenden, viel einfacher machen. Solche Fasern könnten auch in winzigen biomedizinischen Geräten Verwendung finden, wie zum Beispiel einem medizinischen Roboter, der in eine Arterie eindringt und dann aktiviert wird „, schlägt Anikeeva vor. „Wir haben Aktivierungszeiten in der Größenordnung von zehn Millisekunden bis Sekunden“, abhängig von den Dimensionen, sagt sie.

Um eine höhere Festigkeit beim Heben schwerer Lasten zu gewährleisten, können die Fasern gebündelt werden, ähnlich wie Muskelfasern im Körper gebündelt werden. Das Team testete erfolgreich Bündel von 100 Fasern. Durch den Faserziehprozess könnten Sensoren auch in die Fasern integriert werden, um Rückmeldung über die Bedingungen zu geben, denen sie begegnen, beispielsweise in einer Prothese. Örgüç sagt, dass gebündelte Muskelfasern mit einem Rückkopplungsmechanismus mit geschlossenem Regelkreis Anwendungen in Robotersystemen finden könnten, in denen eine automatisierte und präzise Steuerung erforderlich ist.

Kanik sagt, dass die Möglichkeiten für Materialien dieser Art praktisch unbegrenzt sind, da fast jede Kombination von zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten funktionieren könnte, so dass ein großer Bereich möglicher Kombinationen zu erkunden ist. Er fügt hinzu, dass dieser neue Befund wie das Öffnen eines neuen Fensters war, nur um „eine Reihe anderer Fenster“ zu sehen, die darauf warten, geöffnet zu werden.

„Die Stärke dieser Arbeit liegt in ihrer Einfachheit“, sagt er.

Zum Team gehörten auch der MIT-Doktorand Georgios Varnavides, der Postdoc Jinwoo Kim und die Studenten Thomas Benavides, Dani Gonzalez und Timothy Akintlio. Die Arbeit wurde vom Nationalen Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall und der National Science Foundation unterstützt.