Forschende des MIT haben einen Kunststoff-basierten Federmechanismus (in der Petrischale) entwickelt, der die Arbeit von natürlichen Muskeln maximieren kann - zum Beispiel für den Einsatz in Robotersystemen. (Bild: MIT / Felice Frankel)
Warum ist das wichtig?
Muskeln sind die perfekten Aktuatoren: Für ihre Größe sind Muskelfasern leistungsfähiger und präziser als die meisten synthetischen Aktuatoren. Zudem können sie sich von Schäden heilen und durch Training stärker werden. Aus diesem Grund erforschen Ingenieur:innen Möglichkeiten, Roboter mit natürlichen Muskeln anzutreiben.
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Der Stand der Dinge
Forschende am MIT haben bereits eine Handvoll "biohybrider" Roboter vorgeführt, die muskelbasierte Aktuatoren verwenden, um künstliche Skelette anzutreiben, die dadurch gehen, schwimmen oder greifen können. Aber für jeden Roboter war dafür ein anderer Aufbau notwendig, um das Beste aus den Muskeln für ein bestimmtes Roboterdesign herauszuholen. Jetzt haben MIT-Ingenieure eine federähnliche Vorrichtung entwickelt, die als skelettartiges Grundmodul für fast jeden muskelbepackten Roboter verwendet werden könnte.
Wie funktioniert das?
Der neue Federmechanismus ist so konzipiert, dass er alle angeschlossenen Muskelnfasern optimal beansprucht. Wie eine Beinpresse, die mit genau der richtigen Menge an Gewicht ausgestattet ist, maximiert das Gerät das Maß an Bewegung, die ein Muskel auf natürliche Weise erzeugen kann.
"Wir brauchten einen Mechanismus, der in einer Richtung sehr weich und flexibel und in allen anderen Richtungen sehr steif ist, damit bei der Kontraktion eines Muskels die gesamte Kraft effizient in eine Bewegung in eine Richtung umgewandelt wird", sagt Ritu Raman, Professorin in Engineering Design am MIT. Fündig wurde er im Labor von Professor Martin Culpepper. Culpeppers Gruppe am MIT ist auf die Entwicklung und Herstellung von Maschinenelementen wie Miniaturaktoren, Lagern und anderen Mechanismen spezialisiert, die in Maschinen und Systeme eingebaut werden können, um ultrapräzise Bewegungen, Messungen und Kontrollen für eine Vielzahl von Anwendungen zu ermöglichen.
Zu den präzisionsgefertigten Elementen der Gruppe gehören sogenannte Flexures - federähnliche Vorrichtungen, die oft aus parallelen Balken bestehen und sich mit Nanometerpräzision biegen und strecken können. "Je nachdem, wie dünn und weit die Balken auseinander liegen, kann man die Steifigkeit der Feder verändern", sagt Raman.
Ihre gemeinsam entwickelte Vorrichtung ist so designt, dass sie exakt ein Hundertstel der Steifigkeit von natürlichem Muskelgewebe hat. Die Forscher fanden heraus, dass ein aus Mäusezellen gezüchtetes Muskelgewebe, das um den Mechanismus gelegt wurde, zuverlässig und wiederholt an der Feder zog und sie fünfmal stärker dehnte als andere frühere Konstruktionen.
Das Team sieht das Flexure-Design als grundlegenden Baustein, um beliebige Konfigurationen künstlicher Skelette zu bauen, die von natürlichem Muskelgewebe angetrieben werden. Ritu Raman: "Wir geben Robotikern ein neues Regelwerk an die Hand, mit dem sie leistungsstarke und präzise muskelbetriebene Roboter bauen können."
Wofür braucht man das?
"Ein Beispiel für einen Roboter, den wir in Zukunft bauen wollen, ist ein chirurgischer Roboter, der minimalinvasive Eingriffe im Körper vornehmen kann", sagt Raman. "Technisch gesehen können Muskeln Roboter jeder Größe antreiben, aber wir sind besonders daran interessiert, kleine Roboter zu bauen, da biologische Aktuatoren hier in Bezug auf Stärke, Effizienz und Anpassungsfähigkeit überragend sind."
