Pioniere der nachhaltigen Soft-Robotik: Biologisch abbaubare künstliche Muskeln für eine grünere Zukunft

Ein internationales Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart, Deutschland, der Johannes Kepler Universität (JKU) in Linz, Österreich, und der University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, hat Nachhaltigkeit in der Soft-Robotik in den Vordergrund gestellt.

Zusammen entwickelten sie einen vollständig biologisch abbaubaren, hochleistungsfähigen künstlichen Muskel aus Gelatine, Öl und Biokunststoffen. Die Wissenschaftler demonstrierten das Potenzial dieser innovativen Technologie, indem sie sie zur Animation eines Roboter-Greifers verwendeten, insbesondere für Einmalanwendungen wie Abfallentsorgung. Diese künstlichen Muskeln können in kommunalen Kompostbehältern entsorgt und innerhalb von sechs Monaten unter kontrollierten Bedingungen vollständig biologisch abgebaut werden.

Ellen Rumley, eine Gastwissenschaftlerin von CU Boulder, die im Robotic Materials Department des MPI-IS arbeitet und Co-Erstautorin des Artikels ist, betont die Bedeutung von nachhaltigen Materialien in der Soft-Robotik:

“Biologisch abbaubare Teile könnten eine nachhaltige Lösung insbesondere für Einmalanwendungen bieten, wie z.B. für medizinische Operationen, Such- und Rettungseinsätze und die Handhabung von gefährlichen Substanzen. Anstatt am Ende des Produktlebens in Deponien zu landen, könnten die Roboter der Zukunft zu Kompost für das Wachstum von Pflanzen in der Zukunft werden.”

Entwicklung biologisch abbaubarer HASEL-Künstlicher Muskeln

Die Forscher entwickelten einen elektrisch angetriebenen künstlichen Muskel namens HASEL (Hydraulisch verstärkte selbstheilende elektrostatische Aktuatoren). HASELs sind Ölfüllige Plastikbeutel, die teilweise von einem Paar elektrischer Leiter, den sogenannten Elektroden, bedeckt sind. Wenn ein hoher Spannung über das Elektrodenpaar angelegt wird, bilden sich entgegengesetzte Ladungen, die eine Kraft erzeugen, die das Öl in eine elektrodenfreie Region des Beutels drückt. Diese Ölverlagerung führt zu einer Kontraktion des Beutels, ähnlich wie bei einem echten Muskel. Damit HASELs sich verformen können, müssen die Materialien, die für den Plastikbeutel und das Öl verwendet werden, elektrische Isolatoren sein, die in der Lage sind, die hohen elektrischen Spannungen, die von den geladenen Elektroden erzeugt werden, zu ertragen.

Eine der Herausforderungen bestand darin, eine leitfähige, weiche und vollständig biologisch abbaubare Elektrode zu entwickeln. Forscher der JKU entwickelten ein Rezept, das eine Mischung aus Biopolymer-Gelatine und Salzen enthielt, die direkt auf HASEL-Aktuatoren gegossen werden konnte.

David Preninger, Co-Erstautor dieses Projekts und Wissenschaftler der Abteilung Soft Matter Physics der JKU, erklärt:

“Es war wichtig für uns, Elektroden für diese Hochleistungsanwendungen zu entwickeln, aber mit leicht verfügbaren Komponenten und einer zugänglichen Fertigungsstrategie.”

Bildquelle: Max Planck Institute

Elektrische Leistung und biologisch abbaubare Kunststoffe

Die nächste Hürde bestand darin, geeignete biologisch abbaubare Kunststoffe zu identifizieren. Ingenieure priorisieren normalerweise Faktoren wie Abbaugeschwindigkeit und mechanische Festigkeit gegenüber elektrischer Isolierung, eine Anforderung für HASELs, die bei mehreren Tausend Volt betrieben werden. Es stellte sich jedoch heraus, dass bestimmte Biokunststoffe eine gute Materialverträglichkeit mit Gelatine-Elektroden und ausreichende elektrische Isolierung aufwiesen.

Eine bestimmte Materialkombination ermöglichte es HASELs, 100.000 Aktuationszyklen bei mehreren Tausend Volt ohne elektrisches Versagen oder Leistungsverlust zu überstehen. Diese biologisch abbaubaren künstlichen Muskeln sind elektromechanisch wettbewerbsfähig mit ihren nicht biologisch abbaubaren Gegenstücken, was die Nachhaltigkeit in der künstlichen Muskeltechnologie fördert.

Ellen Rumley erläutert die Auswirkungen ihrer Forschung:

“Indem wir die herausragende Leistung dieses neuen Materials zeigen, geben wir der Robotik-Community einen Anreiz, biologisch abbaubare Materialien als eine gangbare Option für den Bau von Robotern zu betrachten. Die Tatsache, dass wir mit Biokunststoffen so gute Ergebnisse erzielt haben, motiviert hoffentlich auch andere Materialwissenschaftler, neue Materialien mit optimierter elektrischer Leistung zu entwickeln.”

Zukünftige Perspektiven und Anwendungen

Die Entwicklung biologisch abbaubarer künstlicher Muskeln öffnet neue Türen für die Zukunft der Robotik. Durch die Integration nachhaltiger Materialien in die Robotik-Technologie können Wissenschaftler den Umweltimpact von Robotern reduzieren, insbesondere in Anwendungen, in denen Einmalgeräte vorherrschen. Der Erfolg dieser Forschung ebnet den Weg für die Erforschung weiterer biologisch abbaubarer Komponenten und die Entwicklung vollständig umweltfreundlicher Roboter.

Mögliche Anwendungen für biologisch abbaubare weiche Roboter erstrecken sich über Abfallentsorgung und medizinische Operationen hinaus. Diese Roboter könnten in der Umweltüberwachung, in der Landwirtschaft und sogar in der Verbraucherelektronik eingesetzt werden, um die Belastung der Deponien zu reduzieren und zu einer Kreislaufwirtschaft beizutragen.

Wenn die Forschung weitergeht, plant das Team, die Materialien und Prozesse, die bei der Herstellung biologisch abbaubarer künstlicher Muskeln verwendet werden, weiter zu verfeinern. Durch die Zusammenarbeit mit anderen Experten in der Materialwissenschaft und der Robotik zielen sie darauf ab, neue Technologien zu entwickeln, die das Feld der nachhaltigen Soft-Robotik vorantreiben. Die Forscher hoffen, die Verwendung biologisch abbaubarer Materialien in verschiedenen Branchen zu fördern und damit einen umweltbewussteren Ansatz in der Technologieentwicklung zu fördern.

Die bahnbrechende Arbeit dieses internationalen Forscherteams stellt einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Zukunft für die Soft-Robotik dar. Durch die Demonstration der Machbarkeit und Leistung biologisch abbaubarer künstlicher Muskeln ebnet es den Weg für weitere Fortschritte in der grünen Technologie und inspiriert die Robotik-Community, nachhaltige Alternativen für ihre Schöpfungen zu betrachten.