Atmende Muskeln aus Titan

	Bild: Max Planck Institut fuer Festkörperforschung

Weltweit lassen Forscher die Muskeln spielen. Jedoch rein künstliche. In wenigen Jahren sollen sie prothetische Gliedmaßen und Roboter in Bewegung setzen.

Von Jan Oliver Löfken 

Amerikanische Wissenschaftler entwickelten auf der Basis von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff und Formgedächtnismetallen künstliche Muskeln, die direkt mit Methanol oder Wasserstoff statt mit Strom versorgt werden können. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in der Zeitschrift "Science".

Schwaden von Luft und Methanol umströmen eine kleine Feder aus Metall. Wie von Geisterhand hebt sie ein 50-Gramm-Gewicht einige Millimeter in die Höhe. So einfach der Versuchsaufbau scheint, weist er doch einen Weg auf, wie ein künstlicher Muskel aus einer Titan-Nickel-Legierung elegant mit Energie versorgt und bewegt werden kann. "Dieser Muskel ist 100-mal kräftiger als ein menschlicher Muskelstrang", sagt Ray Baughman, Leiter der texanischen Arbeitsgruppe. Der Grund für seine Aktivität liegt im Innern der Metallfeder. Sie besteht aus einem Gedächtnismaterial, dessen kristalline Strukturen sich bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils in einer anderen Form anordnen. Die Folge: Bei über 70 Grad zieht sich die Feder zusammen und abgekühlt nimmt ihre Länge wieder zu.

Neu ist dieses Prinzip selbst nicht. Aber Baughman verzichtet erstmals vollständig auf eine externe Heizquelle. Möglich wird dies durch die Methanoldämpfe, die an der mit Platin beschichteten Metallfeder mit dem Sauerstoff der Luft reagieren und dabei Wärme erzeugen. Versiegen die Methanolschwaden, stoppt die Reaktion und die abkühlende Feder dehnt sich wieder auf die ursprüngliche Länge aus. Über diesen Weg wird die im Methanol gespeicherte chemische Energie über die Wärmeentwicklung in eine mechanische Bewegung umgewandelt.

"Künstliche Muskeln und Elektromotoren in Robotern oder prothetischen Gliedmaßen werden heute typischerweise über Batterien gespeist", erklärt Baughman. Da diese nicht ausreichend Strom über einen längeren Zeitraum liefern können, suchte der Forscher nach zuverlässigeren Energiequellen. In einem zweiten Ansatz griff er zu ganzen Bündeln aus millionstel Millimeter dünnen Röhrchen aus Kohlenstoff. Auch diese Nanoröhrchen-Fasern können als künstliche Muskeln dienen. Dazu müssen sie jedoch mit sich gegenseitig abstoßenden Ladungen besetzt werden. So unter Spannung gesetzt, schieben sich die einzelnen Röhrchen aneinander vorbei und verändern die Länge der Faser. Ohne Spannung, die in bisherigen Versuchen aus einer externen Stromquelle stammt, verkürzt sich die Faser wieder.

Das Forscherteam vereinte nun Muskelfaser und Spannungsquelle in einem einzigen Modul. Denn die hochfesten und leitfähigen Röhrchen können zugleich auch als Elektroden für eine filigrane Brennstoffzelle dienen. Umströmen nun Wasserstoff und Sauerstoff diese Röhrchen, entstehen elektrische Spannungen, die direkt die Röhrchenfaser zum Dehnen und Zusammenziehen verleiten. "Diese Versuche sind eine nette Demonstration, dass so etwas funktioniert", sagt Siegmar Roth vom Max Planck Institut fuer Festkörperforschung in Stuttgart. "Doch ob das jemals eine praktische Anwendung mit sich bringt, lässt sich heute noch nicht sagen." Auch Roth hat zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik schon künstliche Muskeln aus hauchdünnen Nanoröhrchenmatten entwickelt. Die Forschungsergebnisse fließen mittlerweile in die ausgegründete Firma Sineuropa Nanotech ein. Doch für ein käufliches Produkt sei die Entwicklung noch nicht weit genug.

"Baughman zeigt interessante Daten, aber bietet noch keine Lösung für das Kernproblem eines künstlichen Muskels." Denn die Nanofasern leiden unter Materialermüdung. Dehnen sie sich öfter aus, verschieben sich die Röhren dauerhaft zueinander und das Bewegungspotenzial lässt nach. Auch elektroaktive Kunststoffe, die unter Strom gesetzt Linearbewegungen ausführen können, lassen auf Dauer in ihrer Leistungsfähigkeit nach.

Verwendbar sind heute Muskelfasern aus so genannten Piezometallen. Unter Spannung gesetzt reagieren sie mit einer Kontraktion und ersetzen vereinzelt schon Elektromotoren und filigrane und teure Getriebe. "Doch sie liefern nur eine geringe Hubleistung und benötigen hohe Gleichspannungen", sagt Roth. Für den Einsatz in aktiven Prothesen in einem menschlichen Körper bieten sie sich daher nicht an. Module aus Nanomaterialien wären langfristig auch billiger als aus Gedächtnis- oder Piezometallen.

Etwa zehn Jahre Entwicklungszeit seien laut Roth noch nötig für den Muskel aus Nanoröhrchen. Dann sieht nicht nur Baughman zahlreiche Anwendungen bei autonomen Robotern und Prothesen. Er hält sogar künstliche Herzmuskeln und aktive Hüllen, die auf Knopfdruck ihre Form ändern und beispielsweise zur Tarnung von Militärfahrzeugen eingesetzt werden können, für möglich.

Jan Oliver Löfken

Diplom-Physiker und Wissenschaftsjournalist mit langjähriger Erfahrung bei Bild der Wissenschaft, Handelsblatt, FTD und als Wissenschafts-Redakteur bei DIE WELT, betreibt heute mit Kollegen die Hamburger Wissenschaftsagentur www.wissenschaft-aktuell.de