Seit mehr als 15 Jahren stellen Forscher der University of Texas in Dallas und ihre Kooperationspartner in den USA, Australien, Südkorea und China künstliche Muskeln her, indem sie Kohlenstoffnanoröhren oder Polymergarne verdrillen und aufwickeln. Wenn diese Muskeln thermisch aktiviert werden, ziehen sie sich bei Erwärmung in ihrer Länge zusammen und kehren bei Abkühlung in ihre Ausgangslänge zurück. Solche thermisch angetriebenen künstlichen Muskeln haben jedoch ihre Grenzen. Elektrochemisch angeregte Muskeln aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) bieten einen alternativen Ansatz, um den wachsenden Bedarf an schnellen, leistungsstarken, langhubigen künstlichen Muskeln für Anwendungen zu decken, die von Robotik und Herzpumpen bis hin zu morphingfähiger Kleidung reichen.
Forscher schaffen starke Muskeln aus Kohlenstoff-Nanoröhrengarn
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer kontrahierten «Muskelfaser» aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Der Wicklungsdurchmesser beträgt ca. 140 µm, etwa doppelt so viel wie ein menschliches Haar. Bildquelle: Autoren
Effizientere künstliche Muskeln dank Nanotechnologie
In einer aktuellen Studie beschreiben die Forscher die Schaffung leistungsfähiger, unipolarer elektrochemischer Garn-Muskeln, die sich stärker kontrahieren, wenn sie stärker angeregt werden, und lösen damit wichtige Probleme, die die Anwendungen für solche Muskeln eingeschränkt haben.
"Elektrochemisch gesteuerte Muskeln sind besonders vielversprechend, da ihre Energieumwandlungseffizienz nicht durch die thermodynamische Wärmekraftmaschinengrenze von thermischen Muskeln eingeschränkt ist und sie grosse kontraktile Hübe aufrechterhalten können, während sie schwere Lasten unterstützen, ohne signifikante Energie zu verbrauchen", sagt Dr. Ray Baughman von der University of Texas at Dallas. "Im Gegensatz dazu benötigen menschliche Muskeln und thermisch angetriebene Muskeln eine große Menge an Eingangsenergie, um schwere Lasten zu tragen, auch wenn sie keine mechanische Arbeit verrichten."
Elektrochemisch angeregte CNT-Garnmuskeln werden durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Muskel und einer Gegenelektrode betätigt, die Ionen aus einem umgebenden Elektrolyten in den Muskel treibt. Aber es gibt Einschränkungen für elektrochemische CNT-Muskeln. Erstens ist die Muskelbetätigung bipolar, d.h. die Muskelbewegung - entweder Ausdehnung oder Kontraktion - wechselt während eines Potenzial-Scans die Richtung.
Ein weiteres Problem: Ein bestimmter Elektrolyt ist nur in einem bestimmten Spannungsbereich stabil. "Bisherige Garnmuskeln können nicht den vollen Stabilitätsbereich des Elektrolyten nutzen", so Baughman, korrespondierender Autor der Studie. "Ausserdem nimmt die Kapazität des Muskels - seine Fähigkeit, die für die Betätigung benötigte Ladung zu speichern - mit zunehmender Potentialabtastrate ab, was dazu führt, dass der Hub des Muskels mit zunehmender Betätigungsrate drastisch abnimmt."
Das Know-How liegt in der Beschichtung des Garns
Um diese Probleme zu lösen, entdeckten die Forscher, dass die Innenflächen der gewickelten Kohlenstoff-Nanoröhren-Garne mit einem geeigneten ionisch leitenden Polymer beschichtet werden können, das entweder positiv oder negativ geladene chemische Gruppen enthält.
"Diese Polymerbeschichtung wandelt die normale bipolare Betätigung von Kohlenstoff-Nanoröhren-Garnen in eine unipolare Betätigung um, bei der der Muskel über den gesamten Stabilitätsbereich des Elektrolyten in eine Richtung betätigt wird", so Baughman. "Dieses lange gesuchte Verhalten hat überraschende Konsequenzen, die elektrochemische Kohlenstoff-Nanoröhren-Muskeln viel schneller und leistungsfähiger machen." Die Polymerbeschichtung hilft somit, das Kapazitätsproblem von elektrochemischen Fadenmuskeln zu lösen.
Die Fortschritte liefern elektrochemische unipolare Muskeln, die sich zusammenziehen, um eine maximale durchschnittliche mechanische Ausgangsleistung pro Muskelgewicht von 2,9 Watt/Gramm zu erzeugen, was etwa dem 10-fachen der typischen Fähigkeit des menschlichen Muskels entspricht. Die Polymerbeschichtung, die zur Erzielung dieser Ergebnisse verwendet wurde, war Poly(natrium-4-styrolsulfonat), das für die Verwendung als Arzneimittel zugelassen und preiswert genug für den Einsatz in der Wasserenthärtung ist. Die Einarbeitung dieses Polymer-Gastes ermöglichte den praxisgerechten Betrieb eines Kohlenstoff-Nanoröhren-Muskels von hohen Temperaturen bis unter minus 30 Grad Celsius.
"Wir haben auch entdeckt, dass zwei verschiedene Arten von unipolaren Fadenmuskeln, jeweils mit Scan-Rate-verstärkten Hüben, kombiniert werden können, um einen Dual-Elektrode, vollständig Festkörper-Fadenmuskel zu erzeugen, wodurch die Notwendigkeit für ein flüssiges Elektrolytbad entfällt", sagt Co-Autor Wang. "Ein Festkörperelektrolyt wird verwendet, um zwei gewickelte Kohlenstoff-Nanoröhren-Garne miteinander zu verbinden, die unterschiedliche Polymer-Gäste enthalten, von denen einer negativ geladene Substituenten und der andere positiv geladene Substituenten hat. Beide Fäden ziehen sich während des Aufladens zusammen und tragen durch die Injektion von positiven bzw. negativen Ionen additiv zur Betätigung bei. Diese unipolaren Muskeln mit dualen Elektroden wurden gewebt, um betätigende Textilien herzustellen, die zum beispiel für morphende Kleidung verwendet werden könnten."
Quelle: Newsmeldung University of Texas at Dallas; sciencemag.org; Übersetzung und Bearbeitung: MMo / nano.swiss
Originalpublikation:
H. Chu, X. Hu, Z. Wang, J. Mu, N. Li, X. Zhou, S. Fang, C.S. Haines, J.W. Park, S. Qin, N. Yuan, J. Xu, S.Tawfick, H. Ki, P. Conlin, M. Cho, K. Cho, J. Oh, S. Nielsen, K.A. Alberto, J.M. Razal, J. Foroughi, G.M. Spinks,S.J. Kim, J. Ding, J. Leng and R.H. Baughman, «Unipolar stroke, electroosmotic pump carbon nanotube yarn muscles», Science 371 (6528), 494-498 (2021). DOI: 10.1126/science.abc4538
