Elektroaktive Polymere

Im Artificial Muscle Research Institute der University of New Mexico liegt Strom in der Luft. Wenn Laborleiter Mohsen Shahinpoor eine künstliche Hand aus einem Polymer-Metall-Verbund an Spannung legt, ballen sich die Finger zu einer Faust. Stöbern Sie im Labor herum und Sie werden sehen, wie Roboterfische schwimmen, Flügel schlagen und Arme heben – alle gewinnen ihre Muskeln aus elektrisch aktivierten Polymeren. Sie haben Roboter schon einmal gesehen, aber an diesen ist etwas anders. Sie gucken lebendig .

Seit Anfang der 1990er Jahre entwickeln Materialwissenschaftler und Ingenieure elektroaktive Polymere für den Einsatz als Sensoren, Aktoren und künstliche Muskeln. Eine angelegte Spannung verändert die Zusammensetzung oder Molekülstruktur des Polymers, sodass es sich ausdehnt, zusammenzieht oder sich biegt. Die Bewegung ist glatter und lebensechter als Bewegungen, die durch mechanische Geräte erzeugt werden: Polymere sind wie Muskeln flexibel und werden nicht durch die klobige Starrheit von Zahnrädern und Lagern behindert. Wissenschaftler glauben, dass elektroaktive Polymere mit dieser Ähnlichkeit mit natürlicher Bewegung die Robotik und biomedizinische Geräte revolutionieren könnten. Solche Materialien könnten es ermöglichen, Roboter zu entwickeln, die mit der Anmut eines Menschen manövrieren, Beinprothesen, die sich bewegen und sich echt anfühlen, und implantierbare Mikroabgabesysteme, die Medikamente reibungslos und leise dorthin pumpen, wo sie gebraucht werden.

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Diese Geschichte war Teil unserer Dezember-Ausgabe 2002



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Bis vor kurzem haben elektroaktive Polymere jedoch praktische Probleme aufgeworfen. Sie verbrauchten zu viel Energie. Sie konnten nicht genug Kraft aufbringen. Und sie hielten nicht lange genug. Forscher aus Wissenschaft und Industrie haben jedoch Wege gefunden, die Polymere stärker, robuster und effizienter zu machen. Diese Verbesserungen, sagt Yoseph Bar-Cohen, leitender Forscher am Jet Propulsion Laboratory der NASA und einer der Pioniere auf diesem Gebiet, werden eine schnellere Umsetzung von Science-Fiction-Ideen in die technische Realität ermöglichen.

Im vergangenen September berichteten Qiming Zhang und seine Kollegen von der Pennsylvania State University in einem Durchbruch, der zu medizinischen Geräten mit geringerer Leistung führen könnte, dass sie einen elektroaktiven Aktuator entwickelt haben, der ein Zehntel der zuvor benötigten Spannung benötigt. Zhangs wichtigster Fortschritt: ein Polymer-Halbleiter-Verbundstoff, der mehr Strom fürs Geld bietet und dabei sehr flexibel bleibt. Die Vorteile dieser Geräteklasse sind der hohe Wirkungsgrad und das schnelle Ansprechverhalten. Aber das ist erst der Anfang, sagt Zhang. Er prognostiziert, dass auf dieser Technologie basierende pharmazeutische Produkte – zum Beispiel kleine tragbare Insulinpumpen, die mit Niedervoltbatterien betrieben werden – innerhalb von fünf Jahren verfügbar sein könnten.

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Benjamin Mattes, CEO von Santa Fe Science and Technology, baut starke, langlebige künstliche Muskeln aus leitfähigen Polymeren, die sich als Reaktion auf Veränderungen des Ionenflusses in die Materialien ausdehnen und zusammenziehen. Diese elektroaktiven Polymere erzeugen bei niedrigen Spannungen enorme Kräfte. Da chemische Reaktionen das Polymer abbauen, waren frühere Versionen langsam und überstanden nur wenige Zyklen. Das neueste Gerät von Mattes bricht jedoch frühere Rekorde in Bezug auf Geschwindigkeit und Haltbarkeit. Seine koaxiale Struktur - winzige Fasern, die durch ein hohles Rohr gefädelt und in flüssigem Elektrolyten eingeschlossen sind - ermöglicht, dass Ionen als Reaktion auf angelegte Spannung schnell in die Fasern fließen. Da er als Elektrolyt eine hochstabile und leitfähige ionische Flüssigkeit verwendet, hat Mattes nach eigenen Angaben Millionen Zyklen ohne Degradation erreicht.

Dank solcher Fortschritte in der Materialwissenschaft beginnen elektroaktive Polymere, nützliche biomedizinische Geräte hervorzubringen. An der University of New Mexico hat Shahinpoor dünne, haltbare künstliche Muskeln demonstriert, die ein Vielfaches ihres eigenen Gewichts heben können. Shahinpoor verwendet die Materialien, um implantierbare Hilfsmittel wie eine Pumpe zu entwickeln, die wie ein mechanischer Schrittmacher funktioniert, um das Herz zu komprimieren, und ein winziges Gerät, das das Sehvermögen durch sanftes Zusammendrücken des Augapfels korrigiert. Sein Team vermarktet die Geräte über ein Spin-off, Environmental Robots in Albuquerque, NM.

Bis die Technologie marktreif ist, ist jedoch noch viel zu tun. Um erfolgreich zu sein, so Shahinpoor, muss das Unternehmen sicherstellen, dass die Materialien mit lebendem Gewebe kompatibel sind und ihre Funktionen präzise gesteuert werden können. Außerdem muss er die Herstellungskosten um den Faktor 10 senken.

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Obwohl in den nächsten fünf Jahren elektroaktive Polymere als Komponenten in mikrochirurgischen Instrumenten, Medikamentenabgabesystemen und Korrekturhilfen verwendet werden sollten, könnten solche Fortschritte nur ein Anfang sein. Um naturgetreuere Roboter und Prothesen herzustellen, müssen Wissenschaftler intelligentere und interaktivere Materialien herstellen. Innerhalb von 10 Jahren wollen die Forscher künstliche Gliedmaßen entwickeln, die dem Benutzer Feedback geben, anmutige autonome Roboter, die von muskelähnlichen Polymeren angetrieben werden, und sogar Anzüge, die die Kraft und Ausdauer von Soldaten und Rettungskräften verbessern. Wenn die Forschung erfolgreich ist, kann die Robotik wirklich zum Leben erweckt werden.

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