Merken Drucken 06.04.2005, 18:11 Schriftgröße: A A A

Muskeln aus Metall

Wissenschaftler präsentieren auf der Hannover Messe einen künstlichen Muskel auf der Grundlage von Metallstäben und Wasser. Damit soll die erste Vorstufe erreicht sein, für eine Technik, die für Miniaturroboter, Prothesen und Airbags nützlich werden kann. von Mirko Smiljanic, Karlsruhe

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Oberflächenstruktur von nanoporösem Platin (Quelle: Forschungszentrum Karlsruhe)

Der Versuch sieht recht einfach aus: In einem rundum mit Glas verschlossenen Ring liegen zwei sehr dünne Metallstäbe, die außen mit elektrischen Drähten verbunden sind. Vorsichtig drückt Dominik Kramer auf einen Knopf. Zunächst ist nichts zu sehen, doch dann bewegen sich die parallel zueinander liegenden haarfeinen Stäbe langsam nach außen. Das Besondere an dem Experiment: Kein Motor hat die Bewegung ausgelöst, sondern lediglich eine elektrische Spannung.

Der simple Versuch des jungen Wissenschaftlers im Forschungszentrum Karlsruhe ist die Vorstufe für eine Technik, die für Miniaturroboter, Prothesen und Airbags nützlich werden kann. Nach den Vorstellungen von Kramer und seinen Kollegen lässt sich so die Funktionsweise von Muskeln nachbauen. Ihre Entwicklung stellen die Forscher nächste Woche auf der Hannover Messe vor.

Grundlegendes physikalisches Prinzip

Die Wissenschaftler nutzen ein grundlegendes physikalisches Prinzip: Weil die Eigenschaften eines Stoffes von seiner elektronischen Struktur abhängen, verändern die Forscher die elektrische Ladung, um dem Stoff andere Eigenschaften zu geben. Derzeit funktioniert das nur bei speziellen Materialien - im Versuch ist dies eine Art Metallschaum, der sich aus winzigen, rund sechs millionstel Millimeter kleinen Platinkristallen aufbaut. Ein solcher Platinschaum hat ein sehr geringes Volumen, aber eine extrem große Oberfläche. Und genau darauf kommt es bei Metallen an, da sich elektrische Ladungen vor allem an ihrer Oberfläche befinden. "Wenn man an dieses Material eine elektrische Spannung anlegt, dehnt es sich aus oder es zieht sich zusammen", sagt Kramer. "Elektrische Energie wird in Bewegung umgewandelt."

Damit die Ladungen in die nur wenige millionstel Millimeter kleinen Hohlräume gelangen, tauchen die Forscher den Platinschaum in einen Elektrolyten. Er füllt die Hohlräume aus und transportiert die Elektronen zu den Nanopartikeln. Dadurch werden die atomaren Bindungsverhältnisse an der Oberfläche des Materials beeinflusst: Die Oberflächenatome rücken entweder näher zusammen oder entfernen sich voneinander. Das Metall dehnt sich oder zieht sich zusammen. Eine Spannung von weniger als einem Volt reicht aus, damit sich Platin um 0,3 Prozent dehnen lässt. Werden mehrere Einheiten hintereinander geschaltet, lassen sich auch größere Bewegungen erzielen.

Großes Anwendungsspektrum

Muskeln aus Metall ließen sich vielfältig einsetzen, sagt Dominik Kramer. Das Anwendungsspektrum reiche "von mikroskopischen Ventilen, intelligenten Materialien, die bei Bedarf ihre Form ändern bis hin zu künstlichen Muskeln für Miniaturroboter oder Kleinprothesen". Der umgekehrte Effekt, wenn also Bewegung in Stromimpulse umgewandelt wird, lässt sich ebenfalls nutzen, zum Beispiel für Kraftsensoren, die Airbags in Autos auslösen.

Ray Baughman von der University of Texas sieht für künstliche Muskel sogar ein noch größeres Anwendungsspektrum. In der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Science" berichtet er von Forschungsarbeiten, die die Unterstützung zentraler Körperfunktionen zum Ziel haben. Die Vision: Kaputte Herzen und lahme Gliedmaßen lassen sich eines Tages mit Muskeln aus dem Labor wieder fit machen.

Suche nach Industriepartnern

Damit die Karlsruher Wissenschaftler ihren künstlichen Muskel weiter entwickeln können, suchen sie auf der Hannover Messe auch nach Industriepartnern. Und sie haben noch einige technische Probleme, an denen sie tüfteln: So eignen sich für ihr Verfahren derzeit nur Edelmetalle wie Platin und Gold, weil andere, günstigere Metalle im aggressiven Elektrolyten korrodieren.

Auch US-Kollege Ray Baughman sieht trotz seiner Euphorie noch viel Arbeit auf die Wissenschaftler zukommen: "Die Natur versteht es perfekt, leistungsfähige Muskeln herzustellen. Die Menschheit hinkt noch weit hinter der Natur hinterher."

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