Dieser künstliche Muskel bewegt Dinge selbstständig

Apr 06, 2023

Max G. Levy

In der Obst- und Gemüseabteilung eines Lebensmittelladens ist die Gurke allgegenwärtig. Aber in der Gärtnerei eines Baumarkts, sagt Shazed Aziz, sei die Gurkenpflanze ein Wunder.

Vor ein paar Jahren ging Aziz durch Bunnings Warehouse, eine australische Eisenwarenkette, und machte sich auf den Weg zu einer bestimmten Gurkenpflanze. Am Tag zuvor waren ihm die eigentümlichen Ranken aufgefallen – dünne Stängel, die in unterschiedlich großen Windungen aus der Pflanze herausragen und mit denen Gurkenranken nach Oberflächen greifen und sich hochziehen, um an mehr Sonnenlicht zu gelangen. Bei seinem ersten Besuch waren die helixartigen Locken lang und locker. „Als ich am nächsten Tag in den Laden zurückkam, wurden sie unter Vertrag genommen“, sagt Aziz, Postdoktorand für Materialtechnik an der University of Queensland.

Er machte einen Mitarbeiter ausfindig und fragte, warum sich das Werk so stark und so schnell verändert habe. Könnte es trocken oder krank oder sterbend sein? Nein. Die Pflanze reagierte einfach auf Feuchtigkeit und einen heißen Tag, ähnlich wie eine Sonnenblume sich dreht, um der Sonne zu folgen – ein Phänomen, das Tropismus genannt wird.

Als Ingenieur kam Aziz der Gedanke an ein umweltfreundliches Naturmaterial in den Sinn. Er hatte einen Doktortitel über künstliche Muskeln erworben, neuartige Aktuatoren, die Bestandteile eines Geräts sind, das wie unsere Muskeln Reize in Bewegung umwandelt und zur Herstellung von elektrisch angetriebener Kleidung, vielseitigen Prothesen und Mobilitätsgeräten verwendet werden kann, die mit Strom oder Druckwasser betrieben werden oder Luft.

Obwohl diese Geräte häufig aus künstlichen Materialien wie leitfähigen Polymeren oder „Formgedächtnislegierungen“ bestehen, die sich zwischen bestimmten Formen bewegen, lassen sich Forscher, die diese Konzepte untersuchen, von der Natur inspirieren: vielseitige Krakententakeln, kräftige Elefantenrüssel und schnelle Kolibris. Die sich verändernde Gurke im Bunnings Warehouse brachte Aziz auf eine Idee: Könnte jemand nicht nur die spiralförmige Form einer Pflanze kopieren, sondern auch ihr autonomes Verhalten?

Mit der Pflanze im Schlepptau fuhr Aziz nach Hause und überlegte, wie er das Projekt seinem Mentor vorstellen könnte. Dann vertiefte er sich in wissenschaftliche Artikel, um mehr über Gurkenranken zu erfahren, damit er ihr Verhalten rückentwickeln konnte. Wie ziehen sie sich zusammen und dehnen sich aus? Wie klettern sie gegen die Schwerkraft? Er fand heraus, dass spiralförmige Pflanzen tiefer liegende Windungen bilden als ihre Ranken. Stränge aus mikroskopisch kleinen Zellulosefasern, sogenannte Mikrofibrillen, drehen sich in Pflanzenzellen, die sich wiederum in Zellbündeln drehen, die sich wiederum in Rankenwindungen winden.

Er machte sich daran, diese mikroskopische Struktur mit einem Aktuator nachzuahmen, der Schichten über Schichten von Drehungen aufweist, in der Hoffnung, pflanzenähnliche Bewegungen einzufangen. Er kannte genau das Material, mit dem er beginnen musste: Garn. Garne sind bereits eng verdrehte Faserbündel. Die pflanzenähnlichen Drehungen sind auf molekularer Ebene eingebaut, und da das Garn weich ist, lässt es sich leicht in mehr Dimensionen wickeln.

Sechs Monate später hatte Aziz einen Prototyp – ein aufgewickeltes Baumwollgarn, das mit speziellen Polymeren, sogenannten Hydrogelen, angereichert war, die Wasser absorbieren und zurückhalten. Sein Team beschrieb im Mai in „Advanced Materials“ die Nachahmung der sich ausdehnenden und zusammenziehenden Spiralen spiralförmiger Pflanzen bis auf mikroskopische Ebene und zeigte, dass sich ihre Garnfeder bei Nässe oder Kälte automatisch zusammenzog und stark genug war, um kleine Objekte selbstständig zu bewegen.

„Es scheint das Verhalten von Pflanzen wirklich recht gut nachzuahmen“, sagt Heidi Feigenbaum, eine Maschinenbauingenieurin von der Northern Arizona University, die an Projekten beteiligt war, bei denen sich gedrehte Angelschnüre oder hohle Polymere wie Muskeln ausdehnen und zusammenziehen, aber nicht Teil von Aziz ist Team. Sie glaubt, dass Spiralaktuatoren aufgrund der Flexibilität und Stärke, die sie bieten, ein Segen für die Branche sind.

Jeremy White

Kate Knibbs

Khari Johnson

WIRED-Mitarbeiter

Das Experiment zur Nachahmung einer Gurke ist die erste Demonstration eines pflanzenähnlichen Tropismus in einem Aktuator und Teil einer Entwicklung hin zu „sanfter“ Robotik, bei der Aktuatoren aus flüssigen Materialien wie Stoff, Papier, Fasern und Polymeren anstelle von starren verwendet werden Metallgelenke, um vielseitige Bewegung zu priorisieren. Weichheit würde Roboter in Situationen verbessern, in denen Flexibilität und flaches Design wichtig sind, beispielsweise während einer Operation. Und ein autonomer Softroboter könnte an Orten eingesetzt werden, an denen es keine Stromversorgung und keine Menschen gibt.

„Der Erfolg unserer Arbeit besteht darin, zu beweisen, dass sich die künstlichen Materialien auch wie natürliche Lebewesen verhalten können – in diesem Fall Pflanzen“, sagt Aziz. „Damit haben wir künstlichen Materialien ein gewisses Maß an natürlicher Intelligenz verliehen.“

Garn kann sich natürlich nicht von selbst bewegen. Es muss mit einem zusätzlichen Material angereichert werden, das es reaktionsfähig macht.

Aziz führte seine Garndrehungen durch drei verschiedene Lösungen. Eines davon, ein Alginat-Hydrogel, würde es dem Gerät ermöglichen, Wasser aufzunehmen. Ein anderes, ein Hydrogel aus Polyurethan, machte es weniger spröde. Die letzte Schicht war eine wärmeempfindliche Beschichtung. Anschließend wickelte er das Garn um einen Metallstab, so dass es sich wie Gurkenranken windete. Das Endprodukt sieht aus wie eine lange, dunkelmagentafarbene Feder. Seine glatten Windungen überschatten die vielen Schichten faseriger Windungen – aber sie sind alle vorhanden.

Sein Team testete mit einer Reihe von Experimenten die Fähigkeiten des Garns „Muskel“. Zuerst befestigten sie eine Büroklammer am unteren Ende der Spule. Dann gaben sie der Spule ein paar Sprühstöße Wasser. Das Hydrogel quoll auf und nahm das Wasser auf. Die Spule zog sich zusammen, schrumpfte und zog die Büroklammer nach oben.

Aber warum führte das Anschwellen des Hydrogels dazu, dass sich die Spirale zusammenzog und nicht ausdehnte? Das liegt an dieser helikalen Mikrostruktur: Der aufgequollene Wasserstoff trieb die Helix dazu, sich radial in breitere Windungen auszudehnen, und der Garnmuskel zog sich zum Ausgleich in Längsrichtung zusammen.

Dann wendeten die Forscher von einer Heizplatte erhitzte Luft an. Dies hatte den gegenteiligen Effekt: Die Spule entspannte sich und senkte die Büroklammer. Das liegt daran, dass heiße Luft dabei hilft, Wassermoleküle aus dem Hydrogel freizusetzen, wodurch sich der Muskel ausdehnen kann. (Kühle Luft lässt diese Moleküle wieder absorbieren und kontrahiert den Muskel erneut.)

Als nächstes fragten sie: Kann dieses Ding ein Fenster schließen? (Das mag wie eine seltsame Herausforderung erscheinen, aber sie wollten eine Demo, um zu beweisen, dass der kleine Muskel eine nützliche Aufgabe alleine erfüllen kann – keine Stromquelle, keine Luftschläuche oder Drähte erforderlich.) Ein Garn ist natürlich zu dünn dafür Bewegen Sie ein Glasfenster in voller Größe, unabhängig davon, wie viele Drehungen Sie hineinlocken. Also stellte Aziz‘ Team eine eigene handtellergroße Plastikversion her. Das Fenster hatte zwei Scheiben, die sich wie Fensterläden schließen ließen. Sie haben den kleinen magentafarbenen Muskel durch beide Scheiben gewebt. Mit einem Wasserstrahl zog sich das Garn zusammen und brachte die Fensterläden zusammen, bis das Fenster vollständig geschlossen war.

Für Aziz besteht das Schöne an dieser Mikrostruktur darin, dass diese Art der Formänderung reversibel ist. Andere künstliche Muskelmaterialien, wie etwa Formgedächtnismaterialien, verformen sich häufig irreversibel, was ihre wiederholte Verwendung einschränkt. Aber in diesem Fall kann sich die Spule als Reaktion auf atmosphärische Bedingungen unbegrenzt zusammenziehen oder entspannen. „Wenn der Regen kommt, kann es das Fenster schließen“, sagt er. „Und wenn es regnet, öffnet sich das Fenster wieder.“

Jeremy White

Kate Knibbs

Khari Johnson

WIRED-Mitarbeiter

Wie wäre dies in der realen Welt nützlich? Aziz stellt sich kostengünstige Geräte vor, die Umwelt- oder wissenschaftliche Daten an abgelegenen Orten sammeln könnten, wo die Bedingungen unwirtlich oder wechselhaft sind und wo die Betätigung von Vorteil ist – „in einer Wüste oder einem Polargebiet wie der Antarktis, wo es keine mechanischen oder elektrischen Instrumente gibt.“ ," er sagt. Stellen Sie sich ein Teleskop in der Wüste vor, das nachts seinen Blick als Reaktion auf eine große Änderung der Lufttemperatur ändert. Oder vielleicht automatisierte Fenster an einem abgelegenen Gewächshaus. Vielleicht könnte es Vermessungsrobotern helfen, Proben in der Antarktis zu entnehmen. Oder auf dem Mars.

Feigenbaum sagt, Aktuatoren, die sich ohne Druckluft oder Batterien bewegen, könnten nützlich sein, aber die Verwendung von Baumwolle und Hydrogelen zur Wasseraufnahme oder Wärmeübertragung erfordert Zeit. Es kann Minuten dauern, bis sich das Garn vollständig verwandelt. „Es spiegelt eher Pflanzenranken als menschliche Muskeln wider. Und in diesem Fall ist die Betätigung viel langsamer“, sagt sie. Im Gegensatz dazu reagieren ihre hohlen, aus Polymer verdrehten Muskeln im Bruchteil einer Sekunde auf Hochdruckluft oder Wasser.

Derzeit könne man eine „viel schnellere Leistung“ als bei diesen pflanzenähnlichen Aktoren erwarten, stimmt Polina Anikeeva zu, eine Materialwissenschaftlerin und Neuroingenieurin am MIT, die nicht an der neuen Arbeit beteiligt war. „Trotzdem handelt es sich hierbei um ein anderes materielles System.“ Im Jahr 2019 entwickelte Anikeevas Team Aktuatoren aus „bimorphen“ Polymerfasern, die unter Belastung Helices bilden und für starke Gliedmaßenprothesen verwendet werden könnten. Sie brachten diese dazu, sich beim Erhitzen in weniger als einer Sekunde zusammenzuziehen und mehr als das 600-fache ihres Gewichts zu heben. Im Juni verwandelte ihr Team Spiralmuskeln in kleine, magnetbetriebene Bots.

Aber sie kann sich Fälle vorstellen, in denen Hydrogel-basierte Muskeln wie die von Aziz nützlich sein könnten. „Hydrogele glänzen wirklich in biomedizinischen Kontexten“, sagt Anikeeva. Sie fragt sich, ob sie als künstliche Muskeln funktionieren würden, die in echtes menschliches Gewebe implantiert werden könnten, um bei der Reparatur zu helfen. Ein auf Hydrogel basierender Muskel könnte der Mechanik des Körpers entsprechen – insbesondere, wenn Ingenieure die Aktuatoren dazu bringen könnten, auf biologische Reize zu reagieren, wie es echte Nerven und Muskeln tun, und nicht nur auf Wasser oder Wärme. „Hydrogele könnten möglicherweise auf unterschiedliche Ionenkonzentrationen reagieren, weil sie diese absorbieren können“, sagt sie. „Vielleicht könnte man in Zukunft sogar leitfähiges Hydrogel einbauen“, das sich als Reaktion auf kleine Stromimpulse verformen könnte.

Feigenbaum stellt sich auch vor, dass weiche Robotermuskeln für kreativere und natürlichere Bewegungen in der Robotik eingesetzt werden. Stellen Sie sich den klassischen Roboterarm vor, mit einer Schulter, die mit einem Oberarm verbunden ist, die über einen Ellenbogen mit einem Unterarm verbunden ist und so weiter – „das sind alles nur diese starren Verbindungen und Gelenke“, sagt sie. Doch während Robotiker versuchen, Mobilitätswerkzeuge wie Exoskelette und gangunterstützte Geräte neu zu erfinden, steht sperrige Hardware buchstäblich im Weg. Stattdessen bieten weichere Materialien einen größeren Bewegungsbereich und eine größere Flexibilität – Bewegung in mehr Richtungen und an mehr Punkten, als dies bei starren Gelenken möglich wäre. Stellen Sie sich die Bewegung einer Schlange im Vergleich zu der eines Türscharniers vor. „Ein Großteil dieser Soft-Roboter-Technologie wird uns zu einer Robotik führen, die viel weniger nach Verknüpfungen aussieht“, sagt sie.

Aziz hofft, die Belastbarkeit und Reaktionsfähigkeit der Muskeln zu verbessern, und plant, ähnliche Versionen mit Polymeren, sogenannten Thermoplasten, zu entwickeln. Dadurch hätte er mehr Kontrolle über die Temperatur, bei der die Aktoren reagieren. Das Team baut noch keine pflanzenähnlichen Aktuatoren in Roboter ein – aber sobald sie es versuchen, ist nicht abzusehen, welche Art von neuen Türen (oder Fenstern) sie öffnen könnten.