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Roboter bekommen Muskeln

Elektronik: Kunst-Muskeln machen Roboter zu Kraftmaschinen. Bislang trotten Roboter, anstatt zu sprinten. Doch nun sollen Muskeln aus Kunststoff die Robotik revolutionieren, sie arbeiten präziser als…

Nun haben sie auch das Rad neu erfunden. Es dreht sich, ohne das ein gewöhnlicher Motor es antreiben würde. Denn an der Stelle der Speichen sitzen sechs künstliche Muskeln, welche die Achse rotieren lassen.

Es gehe ihm nicht um Schnelligkeit oder Kraft, sagt Gruppenleiter Iain Anderson vom Auckland Bioengineering Institute. Im Gegenteil: Sein Ziel sei die Langsamkeit der Bewegung. Und da tun sich Elektromotoren schwer – viel besser hingegen wären Muskeln.

Der Muskel ist ein unterschätztes Meisterwerk der Natur. Motoren mögen Fahrzeuge schneller und stärker als jedes Lebewesen machen – in puncto Präzision dagegen sind sie den natürlichen Konkurrenten hoffnungslos unterlegen.

Muskeln aus einem neuen Kunststoff könnten die Robotik revolutionieren. In der Unterhaltungsindustrie wird ihr Einsatz bereits erprobt.

Besonders wenn die Techniker Roboter oder Prothesen konstruieren, wird die Schwäche der Motoren offenbar. Denn diese erzeugen stets zunächst eine Drehung, die erst durch schwere, aufwendige Getriebe in natürliche Streck- oder Beugebewegungen verwandelt werden muss. Das mindert die Wirksamkeit, weshalb die motorgetriebenen Roboter von heute nur langsam trotten und nicht sprinten.

Neue Materialien sollen hier Abhilfe schaffen und dem natürlichen Vorbild näher kommen. Vor einigen Jahren nahm die Forschung Fahrt auf, als eine neuartige Werkstoffgruppe entwickelt wurde, die sich durch elektrischen Strom verformt.

Am weitesten fortgeschritten sind die sogenannten dielektrischen Elastomere. Sie sind aufgebaut wie ein Sandwich: Zwischen zwei elektrischen Leitern sitzt eine flexible, isolierende Schicht. Bei elektrischer Spannung ziehen Plus- und Minuspol einander an und quetschen dabei die mittlere Schicht ein. Sie muss dem Druck zur Seite ausweichen, das Element streckt sich. Die Geräte haben entscheidende Vorteile: Sie sind weich, billig und – zumindest theoretisch – erstaunlich kräftig.

Armdrücken Mensch gegen Roboter

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Technik zu demonstrieren, rief Yoseph Bar-Cohen, Materialforscher und lautstärkster Fürsprecher der Elastomere, 2005 einen Wettbewerb aus: Armdrücken Mensch gegen Roboter. Drei Teams, jedes mit einem eigenen Roboterarm, ließen sich herausfordern. Doch sie hatten ihre Kraft wohl überschätzt. Die Menschheit, vertreten durch eine 17-jährige Schülerin, obsiegte gegen sie alle.

„Es stellte sich heraus, dass die künstlichen Muskeln etwa hundertmal schwächer waren“, sagt Bar-Cohen. Offenbar gab es Probleme, die errechnete Leistungsfähigkeit auch unter praktischen Bedingungen abzurufen. Trotz der öffentlichen Demütigung glaubt der Forscher an eine große Zukunft der Technik.

Ihre erste kommerzielle Anwendung findet sie bereits heute in der Unterhaltungselektronik: Die kalifornische Firma Artificial Muscle hat eine Hülle für den iPod touch auf den Markt gebracht, die künstliche Muskeln für Vibrationen nutzt. Normalerweise werden Handys von kleinen Elektromotoren geschüttelt, sei es für den Vibrationsalarm oder um bei Spielen Explosionen zu simulieren. Doch die Ausdruckskraft der Maschinchen ist begrenzt: Nur Dauer und Stärke des Zitterns lassen sich variieren. Das neue Gerät dagegen bildet verschiedene Tasteindrücke realistisch nach, vom Rütteln eines Hubschraubers bis hin zum menschlichen Herzschlag.

Kompaktheit, Präzision und Geräuschlosigkeit

Smartphones könnten auch von einer anderen Technik profitieren, die auf künstliche Muskeln zurückgeht. Die Schweizer Firma Optotune entwickelt Kameralinsen, die durch dielektrische Elastomere fokussiert werden. Auch hier gelten Kompaktheit, Präzision und Geräuschlosigkeit als entscheidende Vorteile der neuen Materialien.

Auf lange Sicht haben die Forscher noch Größeres vor, wie Gabor Kovacs, Leiter der Abteilung für elektroaktive Polymere an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt. Seine Gruppe experimentiert schon seit Jahren mit künstlichen Muskeln und beteiligte sich auch am Armdrückwettbewerb. Zur Demonstration der Technologie haben Mitarbeiter der Gruppe ein kleines Luftschiff entwickelt, das sich rhythmisch nach links und rechts krümmt und dadurch wie ein unbeholfener Karpfen langsam durch die Luft schwimmt.

Großes Potential räumt Kovacs aber besonders der Energiegewinnung ein. Denn ähnlich wie elektrische Motoren können künstliche Muskeln nicht nur als Antrieb genutzt werden. Sie können auch umgekehrt Bewegung in Elektrizität verwandeln. Den Wissenschaftlern schweben schwimmende Elastomer-Matten vor, die, von Meereswellen gewalkt, Strom erzeugen.

Doch bevor in der Nordsee die ersten Energiefarmen gebaut werden, müssen noch grundsätzliche Probleme mit den neuen Materialien überwunden werden. „Alle beißen sich noch an der Herstellung der dünnen Elemente die Zähne aus“, sagt Kovacs. Fortschritte würden auch Bar-Cohen freuen. Er wartet immer noch auf den Tag, an dem künstliche Muskeln endlich die natürlichen besiegen.

via: http://www.spiegel.de/

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