Ingenieure entwickeln Hochleistungs-Technologie für künstliche Muskeln

Ingenieure an der Northern Arizona University (NAU) haben eine neue, hochleistungsstarke künstliche Muskeltechnologie entwickelt, die menschliche Bewegungen ermöglicht. Die flexible und anpassungsfähige Technologie hat gezeigt, dass sie menschliche Skelettmuskeln in mehreren Metriken übertrifft.

Forscher verlassen sich oft auf die Prinzipien der Biomimetik, um bessere Aktuationstechnologien und weiche Robotik zu entwickeln. In der Biomimetik werden Maschinenkomponenten so konzipiert, dass sie die Bewegung von menschlichen Muskeln nachahmen und hoffentlich übertrumpfen.

Roboter in biologischer Form

Aktuatoren wie Elektromotoren sind starr, was ihre Fähigkeiten begrenzt, daher müssen biomimetische Prothesen und Aktuatoren geändert werden, wenn Roboter eine biologischere Form annehmen.

Die neue, hochleistungsstarke künstliche Muskeltechnologie wurde im Dynamic Active Systems Laboratory der NAU entwickelt. Der Artikel, der in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlicht wurde, trägt den Titel „Cavatappi-Kunststoffmuskeln aus Zeichnen, Drehen und Wickeln von Polymerrohren“.

Der Artikel wurde von Associate Professor Michael Shafer und Professor Heidi Feigenbaum des Department of Mechanical Engineering der NAU verfasst. Ihnen half der Doktorand Diego Higueras-Ruiz.

“Wir nennen diese neuen linearen Aktuatoren Cavatappi-Kunststoffmuskeln, weil sie der italienischen Pasta ähneln”, sagte Shafer.

Künstliche Muskeln im Vergleich zu menschlichen Skelettmuskeln

Die Aktuatoren sind für bioingenieurwissenschaftliche und robotische Anwendungen geeignet, da sie eine gewundene Struktur aufweisen, die mehr Leistung erzeugt. Die Ingenieure haben gezeigt, dass Cavatappi-Kunststoffmuskeln Arbeits- und Leistungsmerkmale aufweisen, die zehn- bzw. fünfmal höher sind als die von menschlichen Skelettmuskeln. Da sie weiterentwickelt werden, werden sie voraussichtlich noch höhere Leistungen erzielen.

“Die Cavatappi-Kunststoffmuskeln basieren auf verdrehten Polymeraktuatoren (TPAs), die revolutionär waren, als sie zum ersten Mal erschienen, weil sie leistungsstark, leicht und billig waren. Aber sie waren sehr ineffizient und langsam, weil man sie erhitzen und kühlen musste. Zusätzlich beträgt ihre Effizienz nur etwa zwei Prozent”, sagte Shafer. “Bei den Cavatappi vermeiden wir dies, indem wir ein pressurisiertes Fluid verwenden, um zu aktuell zu machen, also denken wir, dass diese Geräte viel eher angenommen werden. Diese Geräte reagieren etwa so schnell, wie wir das Fluid pumpen können. Der große Vorteil ist ihre Effizienz. Wir haben eine kontraktile Effizienz von bis zu etwa 45 Prozent demonstriert, was eine sehr hohe Zahl im Bereich der weichen Aktuation ist.”

Laut den Ingenieuren könnte diese Technologie in Anwendungen der weichen Robotik, herkömmlichen Robotik-Aktuatoren und Assistenztechnologien wie Exoskeletten und Prothesen nützlich sein.

“Wir erwarten, dass zukünftige Arbeiten die Verwendung von Cavatappi-Kunststoffmuskeln in vielen Anwendungen aufgrund ihrer Einfachheit, geringen Kosten, Leichtigkeit, Flexibilität, Effizienz und Eigenschaften der Rückgewinnung von Verformungsenergie umfassen werden”, sagte Shafer.

Die neue Technologie ist für Lizenzierung und Partnerschaften verfügbar und befindet sich derzeit in der Schutz- und frühen Kommerzialisierungsphase.

Konforme, biomimetische Aktuationstechnologien werden große Auswirkungen haben, wenn sie weiterentwickelt werden. Sie sind sowohl effizient als auch leistungsstark, wenn sie in robotischen Systemen verwendet werden, und können dazu beitragen, dass sie mit Menschen interagieren, ergänzen und letztendlich integrieren können.