Homepage: Kraft für Kunstmuskel

Potsdamer Forscher konstruieren aus einem neuen Werkstoff künstliche Muskeln und Greifarme. Wie das Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm mitteilte, haben Materialwissenschaftler des Max-Planck-Instituts und der amerikanischen Bell Laboratories aus einem Gel und Siliziumnadeln einen Werkstoff entwickelt, der wie ein Muskel arbeitet. Aus dem aktiven Material haben sie auch nanometergroße Greifarme konstruiert.

Die Forscher griffen dabei auf ein einfaches, aber äußerst effektives Prinzip der Natur zurück. Sie nutzten nämlich die Fähigkeit von Gelen, Wasser aufzunehmen und abzugeben und dabei mechanische Arbeit zu verrichten – ganz so, wie es auch Pflanzen können. Solche aktiven biomimetischen Nanosysteme könnten nach Ansicht der Wissenschaftler in Zukunft als Mikroaktuatoren oder in der Mikrofluidik Bedeutung erhalten.

Manche Blüten öffnen sich bei Tag scheinbar wie von selbst und schließen sich, sobald es wieder dunkel wird. Es scheint, als hätten sie Muskeln. Tatsächlich bewegen aber gelartige Substanzen die Blütenblätter, indem sie abhängig von der Luftfeuchtigkeit schwellen oder schrumpfen. In der Natur bedienen sich nicht nur Blüten dieses hydraulischen Mechanismus, sondern auch Tannenzapfen oder auch der fleischfressende Sonnentau. Die Wissenschaftler nutzten diesen Mechanismus nun für neuartige Werkstoffe, genannt HAIRS (hydrogel high-aspect-ratio rigid structures).

Es handelt sich um Hybridsysteme aus nanometergroßen Siliziumnadeln und einem Hydrogel. „Das Besondere des Hybridwerkstoffs ist die Kombination steifer und unflexibler Körper, der Siliziumnadeln, mit elastischen und weichen Verbindungselementen, dem Gel“, sagt Prof. Peter Fratzl, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Dadurch entstehe ein aktiver Werkstoff, also ein Stoff der Arbeit verrichten kann. Je nach Luftfeuchtigkeit verändert das Gel nämlich seine Oberfläche – es schrumpft oder es schwillt an und verändert dadurch die Orientierung der Siliziumnadeln. Mit diesem einfachen Prinzip stellten die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Werkstoffe her: HAIRS-1 und HAIRS-2.

Bei HAIRS-1 sind die Siliziumnadeln im Gel verteilt und parallel ausgerichtet. Schrumpft das Gel zusammen, zieht es an den Siliziumnadeln und kippt sie zur Seite. Das Material verhält sich wie ein künstlicher Muskel. Die Wissenschaftler wollen den neuen Werkstoff zum Beispiel für den Bau von Mikrogreifern und anderen Bewegungssystemen einsetzen, die durch Veränderungen der Luftfeuchtigkeit angetrieben werden. Kix