Künstliche Muskeln – leichter, robuster, sicherer

Viele Robotiker und Robotikerinnen träumen davon, Roboter nicht nur aus Metall oder anderen harten Materialien und Motoren zu bauen, sondern sie weicher und anpassungsfähiger zu gestalten. Weiche Roboter könnten ganz anders mit ihrer Umwelt interagieren, sie könnten beispielweise wie die Gliedmassen von Menschen Stösse abfedern oder mit Feingefühl etwas greifen. Auch aus energetischer Sicht wäre dies interessant, denn bisherige Antriebe benötigen meist viel Energie, um eine Position halten zu können, während weiche Systeme Energie auch gut speichern können. Was liegt also näher, als sich den menschlichen Muskel zum Vorbild zu nehmen und zu versuchen, dieses System nachzubauen?

Die Funktionsweise von künstlichen Muskeln orientiert sich deshalb an der Biologie. Wie ihr natürliches Gegenstück ziehen sich die künstlichen Muskeln bei einem elektrischen Impuls zusammen. Allerdings bestehen die künstlichen Muskeln nicht aus Zellen und Fasern, sondern aus einem Beutel, der mit einer Flüssigkeit – meist Öl – gefüllt ist und dessen Hülle Elektroden enthält. Erhalten diese eine elektrische Spannung, ziehen sie sich zusammen und drücken die Flüssigkeit in den Rest des Beutels. Der Beutel spannt sich und kann beispielsweise ein Gewicht anheben. Ein Beutel steht dabei analog für kurzes Bündel an Muskelfasern, verbindet man mehrere davon, entsteht ein volles Antriebselement, das auch als Aktuator bezeichnet wird oder eben als künstlichen Muskel.

Zu hohe Spannung

Die Idee, künstliche Muskeln zu entwickeln, ist nicht neu, nur gab es bis jetzt ein wesentliches Problem bei der Umsetzung: Die Aktuatoren funktionierten nur mit einer enorm hohen Spannung von ca. 6 bis 10 Tausend Volt. Das hat gleich mehrere Auswirkungen. So mussten diese bis jetzt an grosse, schwere Spannungsverstärker angeschlossen werden, sie funktionierten nicht in Wasser und waren auch für Menschen nicht ganz ungefährlich. Robert Katzschmann, Robotikprofessor an der ETH Zürich, Stephan-Daniel Gravert und Elia Varini haben zusammen mit einem Forschungsteam in Science Advances ihre Version eines künstlichen Muskels vorgestellt, die gleich mehrere Vorteile aufweist.

Gravert, der als wissenschaftlicher Assistent bei Katzschmann im Labor arbeitet, hat eine neuartige Hülle für den Beutel konzipiert. Die Forschenden nennen die neuen künstlichen Muskeln Halve-Aktuatoren, eine Abkürzung für «hydraulically amplified low-voltage electrostatic», zu Deutsch also hydraulisch verstärkter elektrostatischer Niederspannungs-Aktuator. «Bei anderen Aktuatoren liegen die Elektroden aussen an der Hülle. Bei unseren besteht die Hülle aus verschiedenen Schichten. Wir haben ein hoch-permittives ferroelektrisches Material, also eines, das verhältnismässig hohe Mengen an elektrischer Energie speichern kann, kombiniert mit einer Schicht aus Elektroden und diese dann mit einer Polymer-Hülle überzogen, die sehr gute mechanische Eigenschaften hat und den Beutel stabiler macht», erklärt Gravert. Dadurch konnten die Forschenden auch die benötigte Spannung reduzieren, weil die viel höhere Permittivität des ferroelektrischen Materials grosse Kräfte trotz geringer Spannung zulässt. Gravert und Varini haben die Hülle der Halve-Aktuatoren übrigens nicht nur mitentwickelt, sondern sie auch gleich noch selbst im Labor für zwei konkrete Roboter hergestellt.

Grippers and fish show what the muscle can do

Die Forschenden veranschaulichen das Potenzial der Neuentwicklung in der Studie an zwei robotischen Beispielen. Ein 11 Zentimeter hoher Greifer hat zwei Finger, die durch je drei hintereinander geschaltete Beutel des  Aktuators bewegt werden. Er wird dazu über ein kleines, batteriebetriebenes Netzteil mit 900 Volt Spannung versorgt. Akku und Netzteil wiegen zusammen nur 15 Gramm. Der gesamte Greifer wiegt inklusive Leistungs- und Regelungselektronik nur 45 Gramm. Der Greifer kann ein glattes Kunststoffobjekt ausreichend fest greifen, um sein eigenes Gewicht zu tragen, wenn das Objekt mit einer Schnur in die Luft gehoben wird. «Dieses Beispiel zeigt sehr gut, wie, klein, leicht und effizient diese Aktuatoren sind. Das bedeutet auch, dass wir dem Ziel, integrierte muskel-betriebene Systeme zu erschaffen, einen grossen Schritt nähergekommen sind», freut sich Katzschmann.   

Das zweite Objekt ist ein knapp 30 Zentimeter langer Fisch, der geschmeidig durchs Wasser schwimmt. Der Roboterfisch besteht aus einem Kopf, der die Elektronik enthält, und einem flexiblen Körper, an dem die Halve-Aktuatoren befestigt sind. Diese Aktuatoren bewegen sich abwechselnd rhythmisch, was die Schwimmbewegung erzeugt. So erreicht der kabellose Fisch aus dem Stillstand in 14 Sekunden eine Geschwindigkeit von drei Zentimeter pro Sekunde – und das wohlgemerkt in normalem Leitungswasser.

Wasserdicht und sich selbst-verschliessend

Das ist wichtig, denn es zeigt eine weitere Neuerung der Halve-Aktuatoren: Da die Elektroden nicht mehr ungeschützt aussen an der Hülle sitzen, sind die künstlichen Muskeln nun wasserdicht und können auch in leitenden Flüssigkeiten eingesetzt werden. «Mit dem Fisch können wir auch einen generellen Vorteil dieser Aktuatoren veranschaulichen – die Elektroden sind vor der Umwelt geschützt und umgekehrt ist auch die Umwelt vor den Elektroden geschützt. Man kann diese elektrostatischen Aktuatoren also im Wasser betreiben oder zum Beispiel anfassen.», erklärt Katzschmann. Und noch einen Vorteil hat der schichtartige Aufbau der Beutel: Die neuen Aktuatoren sind wesentlich robuster als andere künstliche Muskeln.

Die Beutel sollen sich ja idealerweise sehr viel und schnell bewegen. Nur kleinste Produktionsfehler – etwa ein Staubkorn zwischen den Elektroden – kann dabei zu einem elektrischen Durchschlag führen - einer Art Mini-Blitzschlag. «Bei früheren Modellen hiess das: die Elektrode verbrennt, es entsteht ein Loch in der Hülle, die Flüssigkeit tritt aus und der Aktuator ist defekt», erklärt Gravert. Bei den Halve-Aktuatoren ist dieses Problem gelöst, denn ein einzelnes Loch verschliesst sich durch die schützende Kunststoff-Aussenschicht quasi von selbst. Der Beutel bleibt auch nach einem Durschlag meist voll funktionsfähig.

Die beiden Forschenden freuen sich sichtlich, die Entwicklung künstlicher Muskeln einen entscheidenden Schritt vorangebracht zu haben, doch sind sie auch realistisch. Katzschmann sagt: «Nun muss diese Technologie zur industriellen Reife gebracht werden, das können wir nicht hier im ETH-Labor leisten. Ohne zu viel verraten zu wollen, kann ich aber sagen, dass es bereits Interesse von Firmen gibt, die mit uns zusammenarbeiten möchten.» Möglich wäre zum Beispiel, dass künstliche Muskeln dereinst bei neuartigen Robotern, Prothesen oder sogenannten Wearables, also am Körper getragene Technologien, eingesetzt werden.