26.02.2018

Künstliche Muskeln

Das Problem bei dem Ziel menschenähnliche Roboter oder menschenähnliche Prothesen zu bauen sind die Antriebsaggregate, die Muskeln. Knochen und Gelenke sind relativ einfach, aber das, was uns die Natur bei Muskeln vorgemacht hat ist nur schwer nachzubauen. Ich beschäftige mich schon lange theoretisch mit dem Problem einen Muskel künstlich herzustellen und finde dazu einen eigentlich ganz brauchbaren Ansatz, den ich allerdings bisher nie in der Praxis testen konnte:

Ich betrachte mal eine einzelne Muskelzelle, natürlich sind für einen Muskel mehrere davon notwendig. Eine künstliche Muskelzelle braucht zunächst mal einen winzigen, stäbchenförmigen, an beiden Enden halbkugelförmig abgerundeten, starken Dauermagneten, beispielsweise ein Neodym-Magnet. Die Größe könnte etwa 1x3mm betragen. Dieser Magnet muß eine extrem glatte Oberfläche haben - eventuell muß man ihn mit einer sehr dünnen, aber widerstandsfähigen Polymerschicht überziehen. Dieser Dauermagnet wird in eine Kammer aus stabilem, aber elastischem Kunststoff eingebracht. Zwischen dem Magnet und der Kammer muß ein hauchdünner Gleitfilm sein, vergleichbar mit dem Pleuralspalt zwischen Lunge und Rippen. Der Magnet muß sich darin vollständig bewegen können, die Hülle muß jede Bewegung mitmachen, aufgrund der länglichen Form der Kammer gibt es aber einen definierten Ruhezustand für den Magneten, wenn keine Kraft auf ihn wirkt.

Um diese Hülle herum muß eine Spule aus elektrisch leitfähigem, aber hochelastischen Material mit möglichst geringem Innenwiderstand aufgebracht sein. Die Spule umwickelt die Kammer in Längsrichtung. Wenn man nun eine Gleichspannung an die Spule anlegt, so richtet sich der Dauermagnet mit dem entstehenden Magnetfeld aus, dehnt seine Kammer somit und diese verkürzt sich in ihrer Längsrichtung deutlich. Die Spule muß diese Verkürzung natürlich mitmachen.

Nun hat man eine Muskelzelle, die sich beim anlegen einer Gleichspannung gleichzeitig in Längsrichtung verkürzt und in der Breite verbreitert. Jetzt nimmt man mehrere Zellen nach diesem Prinzip zusammen (mehrere übereinander zu einem Kreis und mehrere hintereinander, an den Enden des Pakets weniger werdend) und baut daraus einen Muskel. Alle Spulen kann man beispielsweise parallel schalten. Je höher nun die elektrische Leistung ist, je stärker zieht sich der Muskel zusammen. Wenn der Muskel keine Last hat, dann ist wenig Strom nötig, wenn der Muskel etwas anheben soll, dann ist mehr Strom nötig.

Auf diese Weise hat man einen Muskel gebaut, der seinem natürlichen Vorbild sehr stark ähnelt und der vermutlich ähnlich kräftig und zugleich präzise ist. Zwei Herausforderungen gibt es aus meiner Sicht nur dabei:

* Die Hülle der Zellen müssen fest, klein, elastisch und stabil sein, auch bei unterschiedlichen Temperaturen

* Die Spule muß so flexibel sein, daß sie viele Bewegungen problemlos aushält. Per Design wirken sich zum Glück aber einzelne defekte Zellen nicht auf die Gesamtfunktion aus

Es sind also Herausforderungen an Kunststoffe zu stellen, die ich selbst nicht beurteilen und lösen kann - ich würde es aber sehr gerne tun.