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pte20210909004 Forschung/Entwicklung, Produkte/Innovationen

Roboter bekommen jetzt Muskeln verpasst

Wissenschaftler der Stanford University geben ihnen mit Formgedächtnis-Polymer viel Kraft


Ein vom neuen Formgedächtnis-Polymer bewegter Puppenarm (Fotos: pubs.acs.org)
Ein vom neuen Formgedächtnis-Polymer bewegter Puppenarm (Fotos: pubs.acs.org)

Stanford/Washington (pte004/09.09.2021/06:15) - Roboter werden bald mit Muskeln ausgestattet, die beachtliche Kräfte entfalten. Der mechanische Aufwand und das Gewicht sind gering, da weder Hydraulik noch Elektromotoren nötig sind. Die Kraft kommt aus einem neuen Formgedächtnis-Polymer, das ein Team um Zhenan Bao von der Stanford University http://stanford.edu entwickelt hat. Details wurden in "ACS Central Science" vorgestellt.

Wärme oder Licht nötig

Formgedächtnis-Polymere sind spezielle Kunststoffe, die nach einer Verformung ihre ursprüngliche Gestalt wieder annehmen, wenn sie erwärmt oder mit einer speziellen Lichtfarbe beleuchtet werden. Derartige Materialien gibt es schon seit Jahrzehnten, aber alle haben einen entscheidenden Nachteil: Sie können nur schwache Kräfte entfalten, sie reichen gerade einmal aus, um den Flügel des Zugsignals in einer Modelleisenbahn-Anlage zu bewegen.

In Tests hat sich das neue Polymer bis zum Fünffachen seiner ursprünglichen Länge dehnen lassen und konnte bis zu 17,9 Joule pro Gramm Energie speichern. Das ist fast sechsmal mehr als bei bisherigen Formgedächtnis-Polymeren. Beim Erwärmen zieht sich das Polymer wieder zusammen. Dabei kann es das 5.000-Fache seines Eigengewichts heben.

Vorgänge sind reversibel

Die Forscher haben auch einen künstlichen Muskel aus einem gedehnten Polymer vorgestellt, das sie am Ober- und Unterarm einer Holzpuppe befestigten. Beim Erhitzen zog sich das Material zusammen, wodurch die Schaufensterpuppe ihren Arm am Ellbogen beugte. Neben seiner hohen Energiedichte hat das neue Formgedächtnis-Polymer noch einen Kostenvorteil: Es lasse sich für etwa 25 Dollar pro Kilogramm herstellen, so Bao.

Die Forscher bauten 4,4'-Methylen-Bisphenylharnstoff-Einheiten in ein Poly(Propylenglykol)-Polymer-Rückgrat ein. Im ursprünglichen Zustand des Polymers sind die Polymerketten verworren und ungeordnet. Durch Dehnung richten sie sich aus. Wärme versetzt sie in den ursprünglichen Zustand zurück. Dieser Prozess lässt sich stetig wiederholen.

(Ende)
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