Muskeln aus dem 3D-Drucker

Die technischen Herausforderung sind groß, um eine künstliche Muskulatur zu entwickeln, die an ihr biologisches Vorbild heranreicht. Denn bisher bestehen künstliche Muskeln, sogenannte Aktoren, die elektrische Impulse in Bewegung umsetzen, aus harten mechanischen Komponenten. Sie sind kaum vergleichbar mit echter Muskulatur, die elastisch und weich ist.

Ein Team aus dem Empa-Labor für Funktionspolymere arbeitet deshalb an Aktoren aus weichen Materialien, die per 3D-Druck hergestellt werden. Die sogenannten dielektrischen elastischen Aktoren (DEA) bestehen aus zwei unterschiedlichen silikonbasierten Materialien: einem leitenden Elektrodenmaterial und einem nichtleitenden Dielektrikum. Diese Materialien greifen schichtförmig ineinander. Empa-Forscher Patrick Danner vergleicht das mit dem Verschränken von Fingern. Legt man an den Elektroden eine elektrische Spannung an, zieht sich der Aktor wie ein Muskel zusammen. Schaltet man die Spannung wieder ab, entspannt er sich in seine Ursprungsposition.

Eine solche Struktur mittels 3D-Druck herzustellen, ist laut Danner nicht einfach. Die beiden weichen Materialien sollten sich – trotz ihrer sehr unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften – beim Druckprozess sehr ähnlich verhalten. Sie dürfen sich nicht vermischen, müssen aber im Aktor gut zusammenhalten. Die gedruckten „Muskeln“ müssen möglichst weich sein, damit ein elektrischer Stimulus zu der benötigten Verformung führen kann.

Das ist die eine Herausforderung. Die nächste sind die Anforderungen, die alle 3D-druckbaren Materialien erfüllen sollten: Um aus der Druckerdüse herausgepresst werden zu können, muss das Material flüssig werden. Anschließend ist ein zähflüssiger Zustand gefragt, damit die gedruckte Form bestehen bleibt. „Diese Eigenschaften stehen oft in direktem Widerspruch zueinander“, so Danner. „Wenn man eine davon optimiert, verändern sich drei andere, meistens zum Nachteil.“

Etliche dieser Widersprüche konnten Danner und Dorina Opris, Leiterin der Forschungsgruppe Functional Polymeric Materials, in Zusammenarbeit mit Forschern der ETH Zürich bereits beseitigen: Zwei Spezialtinten, die an der Empa entwickelt wurden, werden über eine von den ETH-Forschern Tazio Pleij und Jan Vermant entwickelten Düse zu funktionierenden weichen Aktoren gedruckt. Die Zusammenarbeit ist Teil des Großprojekts Manufhaptics, das zum Strategischen Fokusbereich Advanced Manufacturing des ETH-Bereichs gehört. Ziel des Projekts ist es, einen Handschuh zu entwickeln, der virtuelle Welten greifbar macht. Hier sollen die künstlichen Muskeln durch Widerstand das Greifen von Gegenständen simulieren.

Die weichen Aktoren sind leicht, geräuschlos und, dank dem neuen 3D-Druck-Verfahren, beliebig formbar. Sie könnten herkömmliche Aktoren in Autos, Maschinen und in der Robotik ersetzen.

Dorina Opris und Patrick Danner sehen aber auch Anwendungsmöglichkeiten im medizinischen Bereich. Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich nicht nur komplexe Formen, sondern auch lange elastische Fasern drucken lassen. „Wenn wir sie noch etwas dünner machen, kommen wir der Funktionsweise von echten Muskelfasern schon recht nahe“, so Opris. Sie könnte sich sogar vorstellen, aus solchen Fasern ein ganzes Herz zu drucken, aber das wird wohl noch einige Zeit dauern.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich in Advanced Materials Technologies.