Künstliche Muskeln aus dem 3D-Drucker: Weiche Aktoren für die Medizin

Künstliche Muskeln könnten künftig weit mehr leisten, als Roboter zu bewegen. Sie sollen Menschen im Alltag unterstützen – etwa beim Gehen oder Arbeiten – und sogar geschädigtes Muskelgewebe ersetzen. An der Empa, dem Schweizerischen Institut für Materialwissenschaften und Technologie, entwickelt ein Team im Labor für Funktionspolymere neuartige künstliche Muskeln mit Hilfe von 3D-Druck. 

Diese sogenannten dielektrischen elastischen Aktoren (DEA) basieren auf zwei silikonbasierten Materialien: einem leitfähigen Elektrodenmaterial und einem isolierenden Dielektrikum. Die Materialien werden schichtweise ineinander gedruckt – „In etwa so, als würde man die Finger verschränken“, erklärt Patrick Danner von der Empa. Wird elektrische Spannung angelegt, zieht sich der Aktor wie ein Muskel zusammen; beim Abschalten der Spannung kehrt er in seine Ausgangsform zurück. 

Der Entwicklungsprozess war komplex. Die beiden Silikonmaterialien verhalten sich beim Drucken sehr unterschiedlich. Dennoch dürfen sie sich nicht vermischen und müssen im Endprodukt gut miteinander haften. Danner beschreibt das Problem so: 
„Diese Eigenschaften stehen oft in direktem Widerspruch zueinander. Wenn man eine davon optimiert, verändern sich drei andere, meistens zum Nachteil.“ 

Damit die Materialien sich drucken lassen, müssen sie sich unter Druck verflüssigen und unmittelbar danach stabil genug sein, um die gewünschte Form zu behalten – eine besondere Anforderung in der additiven Fertigung. 

Zusammen mit Forschenden der ETH Zürich – insbesondere Tazio Pleij und Jan Vermant – entwickelte das Team eine spezielle Druckdüse sowie zwei maßgeschneiderte „Spezialtinten“. Ziel des Projekts ist unter anderem ein haptischer Handschuh, der virtuelle Objekte real erscheinen lässt, indem die künstlichen Muskeln beim Greifen Widerstand simulieren. 

Doch die Anwendungsmöglichkeiten reichen weiter: Die weichen, lautlosen Aktoren könnten in der Robotik, Fahrzeugtechnik oder Maschinenbau herkömmliche Bauteile ersetzen. Auch für medizinische Anwendungen bieten sich neue Perspektiven. Dorina Opris, Leiterin der Forschungsgruppe „Functional Polymeric Materials“ an der Empa, und Patrick Danner denken bereits weiter: 

„Wenn wir sie noch etwas dünner machen, kommen wir der Funktionsweise von echten Muskelfasern schon recht nahe“, sagt Opris.  

COMPAMED.de; Quelle: Empa