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Künstliche Muskeln : Superkräfte dank Angelschnur

Künstliche Muskeln entwickeln Kräfte, die das natürliche Vorbild weit übertreffen. Bild: dpa

Künstliche Muskeln sind das Mark von Robotern und Prothesen. Mit verschiedenen Materialien versucht man, dem natürlichen Vorbild möglichst nahezukommen - bislang aber mit wenig Erfolg. Aktoren aus Nylon, die Forscher in Texas ersonnen haben, könnten den Durchbruch bringen.

          Künstliche Muskelstränge, die deutlich mehr Kraft entfalten können als ihre natürlichen Vorbilder und ohne Motoren und Hydraulik auskommen, bilden die Basis leistungsfähiger Exoskelette, Prothesen, vor allem aber Roboter der nächsten Generation. Viele Materialien sind bereits erprobt worden - von Formgedächtnismetallen über spezielle Kunststoffe  und Kohlenstofffasern, bis hin zu Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Jetzt haben Werkstoffforscher um Ray Baughman von der University of Texas in Dallas Aktoren hergestellt, die aus alltäglichen und deshalb günstigen Materialien bestehen: aus gewöhnlichen Nylonfäden, wie man sie für Anglerleinen. Das Material entwickelt ungeahnte Kräfte, wenn man es  kunstvoll und fest verdrillt.

          Übermenschliche Kräfte

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der künstliche Muskelstrang verkürzt sich sofort, wenn man ihn erhitzt - etwa über eine elektrische Spannung, mit intensivem Licht oder durch chemische Reaktionen - und kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück, sobald man ihn abkühlt. Dabei würde eine bis zu hundertfach höhere mechanische Kraft entstehen, als sie das natürliche Pendant gleicher Größe entwickeln kann, berichten Baughman und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“. Die Nylon-Aktoren seien in der Lage, Gegenstände zu heben, die hunderttausendmal so schwer sind wie sie selbst, und das immer wieder, ohne dass das Material ermüdet. Außerdem seien die künstlichen Muskeln äußerst robust und über einen großen Temperaturbereich stabil.

          Hergestellt haben Ray Baughman und seine Kollegen die künstlichen Muskeln, indem sie 300 Mikrometer dünne Nylonfäden geschickt miteinander verdrillten - mit Hilfe einer Bohrmaschine. Eingeflochtene Metallfäden oder normales Garn sorgten für die nötige Leitfähigkeit. Durch wiederholtes Verdrillen und Verknüpfen der Kunststoffstränge erhielten die Forscher unterschiedlich dicke und starke Bündel.

          Im Vergleich zu einer natürlichen Muskelfaser, die sich bei Kontraktion um etwa zwanzig Prozent verkürzt, schrumpft die Länge eines gesponnenen Aktuators  bisweilen um bis zu 50 Prozent. Werden Anglerleine und das Garn auf besondere Weise miteinander verzwirbelt, erhält man sogar eine Art Gummiantrieb, wie man ihn von Modellflugzeugen her kennt. Schwere Rotoren würden sich nach Aussagen von Baughman damit in schnelle Rotation versetzen lassen, wobei etwa 10.000 Umdrehungen pro Sekunde erreichen werden könnten.

          “Die möglichen Anwendungen sind fast unbegrenzt“, schwärmt Baughman. Gewandtheit, Kraftentwicklung und Leistungsfähigkeit moderner humanoider Roboter, Prothesen und tragbare Exoskelette sind meist vom Gewicht und von der Größe der genutzten Motoren und hydraulischen Systeme limitiert. Hier und überall dort, wo man Superkräfte benötigt, könnten die künstlichen Muskeln genutzt werden. Mit einem Bündel aus verknüpften Angelleinen, das nur zehnmal so dick ist wie ein menschliches Haar, kann ein Gewicht von mehr als sieben Kilogramm gehoben werden. Hunderte solcher Polymer-Muskelstränge schaffen sogar 800 Kilogramm, wie Versuche gezeigt haben. Einzelne Fasern könnten die Mimik von Robotergesichtern ansteuern.

          Intelligente Kleidung und Fensteröffner

          Die Forscher haben auch verdrillte Nylonfasern in Textilien eingewebt. Deren Maschen öffneten und schlossen sich entsprechend der herrschenden Temperatur. „Nach diesem Prinzip könnte man intelligente Kleidung herstellen, die eine eigene Klimaanlage besitzt“, sagt Baughmans Kollege, Carter Haines.

          Die Forscher demonstrierten auch eine weitere Anwendung: Integriert in Klapp-Fenstern könnten sie - je nach herrschender Außentemperatur - die Klappen  automatisch öffnen oder schließen.  Eine Anwendung für Gewächshäuser oder kleineren Hütten, um dort für das gewünschte Klima und die nötige Frischluft zu sorgen. Damit könnten elektrische Motoren überflüssig werden, die man bisweilen für Klapp-Fenster nutzt.

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