Schweizer Forscher entwickeln künstliche Muskeln mit neuem Elektrospray-Verfahren – auch als Antrieb einsetzbar


Die bloss nanometer-dünnen Schichten der künstlichen Muskeln werden per Elektrospray-Verfahren aufgetragen.

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Forscher der Universität Basel sind gemeinsam mit der Empa der Entwicklung künstlicher Muskeln einen Schritt nähergekommen: Sie haben eine Methode entwickelt, um nanometerdünne Silikonschichten zu erzeugen. Damit können sie elastische Kunststoffe unter Strom setzen, die sich ausdehnen, und so als Antrieb für Geräte oder sogar als künstlicher Muskel im menschlichen Körper dienen können.

Science Fiction wird wahr: Strom macht Kunststoff lebendig

Elastische Kunststoffe, die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln, haben zahlreiche Einsatzmöglichkeiten: sie reichen vom Antrieb von Scheibenwischern über Schallerzeugung bis hin zu Linsensystemen für Kameras. Der Kunststoff wird mit zwei Elektroden versehen, die ein elektrisches Feld erzeugen – stehen sie unter Spannung, dehnt sich das Material aus. In der Medizin ist es für die Entwicklung künstlicher Muskeln, zum Beispiel zur Inkontinenzbehandlung, vorgesehen, wie das Konsortium jüngst beschrieben hat. Das bals schon humanoide Roboter mit künstlichen Muskeln herumlaufen, ist hingegen noch nicht so schnell zu erwarten.

Vom Mikro- zum Nanometer

Um effektiv zu funktionieren, benötigen mikrometerdicke Silikonlagen eine Spannung von mehreren hundert Volt; für künstliche Muskeln im menschlichen Körper ist das deutlich zu hoch. Nanometer-dünne Schichten brauchen demgegenüber nur wenige Volt. Da die resultierende Kraft für diese Dünnfilme klein ist, muss man tausende Lagen übereinanderschichten, um eine genügend grosse Kraft zu erzeugen.

Beschichtung per Elektrospray

Mit den herkömmlichen Herstellungsmethoden lassen sich solche Sandwichstrukturen nicht fertigen. Das Team um Prof. Müller vom Biomaterials Science Center der Universität Basel hat nun gemeinsam mit der Empa ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Silikonschichten anzufertigen, die deutlich dünner als ein Mikrometer und extrem flach sind. Die Rauheit ist kleiner als ein Nanometer. Dazu zerstäuben sie die Silikonmoleküle in Lösung mithilfe einer Hochspannung, der sogenannten Elektrospray-Technologie.

Neue Technik als Motor oder als künstlicher Muskel einsetzbar

Normalerweise funktioniert der Elektrospray mit Gleichstrom. Für die Entwicklung künstlicher Muskeln experimentieren die Basler Wissenschaftler mit einer Wechselstrom-Methode. «Diese vergleichsweise simple und im Industrieumfeld geeignete Methode hat riesiges Potenzial für die Herstellung künstlicher Muskeln, wie man sie auch beispielsweise für den Antrieb von Scheibenwischern einsetzen könnte», so Bert Müller. Auch hofft er, die Technologie bald für ein Implantat zur Behandlung von Inkontinenz verwenden zu können.

Originalbeiträge
Florian M. Weiss, Tino Töpper, Bekim Osmani, Sven Peters, Gabor Kovacs, and Bert Müller
Electrospraying Nanometer-Thin Elastomer Films for Low-Voltage Dielectric Actuators
Advanced Electronic Materials (2016), 1500476, doi: 10.1002/aelm.201500476

Florian M. Weiss, Tino Töpper, Bekim Osmani, Hans Deyhle, Gabor Kovacs, and Bert Müller
Thin Film Formation and Morphology of Electro-sprayed Polydimethylsiloxane
Langmuir (2016), doi: 10.1021/acs.langmuir.6b00476

Elisa Fattorini, Tobia Brusa, Christian, Gingert, Simone E. Hieber, Vanessa Leung, Bekim Osmani, Marco D. Dominietto, Philippe Büchler, Franc Hetzer, and Bert Müller
Artificial Muscle Devices: Innovations and Prospects for Fecal Incontinence Treatment
Annals of Biomedical Engineering (2016), doi: 10.1007/s10439-016-1572-z

Quelle: Universität Basel
Bild: © Universität Basel, Bert Müller

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