2016-12-28

Materialwissenschaft: Haben Roboter bald selbstheilende künstliche Muskeln?


Selbstheilende Materialien sind ein zunehmender Trend in der Materialwissenschaft. Inzwischen existieren eine Vielzahl verschiedener Gels und Polymere, die beispielsweise elektronischen Schaltkreisen, Beton, oder sogar Raumschiffen oder Flugzeugflügeln selbstheilende Kräfte verleihen können. Forscher der University of California, Riverside haben ein transparentes, dehnbares, dünnes Material entwickelt, das sich nicht nur selber reparieren kann, sondern auch als ionischer Leiter agiert. Eines Tages könnten mit seiner Hilfe selbstheilende künstliche Muskeln entwickelt werden, die in der Robotik eingesetzt werde könnten.

Erster selbstheilende Ionenleiter

Inspiriert wurde das Team dabei von der Marvel-Comicfigur Wolverine, die über Selbstheilungskräfte verfügt. Wissenschaftlich gesehen baut die Arbeit der Forscher auf der eines Teams der Harvard University von vor ein paar Jahren auf. Bei dem Projekt damals baute das Team aus Harvard einen gummiartigen flexiblen Lautsprecher gebaut, der durch Ionenleiter mit Energie versorgt wurde. Ein Mitglied des damaligen Teams, Christoph Keplinger, ist auch an dem aktuellen Projekt beteiligt.

Bisher gab es noch keine Ionenleiter, die auch über selbstheilende Kräfte verfügt. Das Problem ist, dass die elektrochemische Reaktion, die bei der Ionenleitung stattfindet, die Bindungen zwischen den Molekülen eines selbstheilenden Polymers schwächen würde. Die Forscher der University of California, Riverside behaupten nun aber, einen Ionenleiter entwickelt zu haben, der gleichzeitig transparent, dehnbar und selbstheilend ist.

„Creating a material with all these properties has been a puzzle for years. We did that and now are just beginning to explore the applications„, so Chao Wang, einer der an der Studie beteiligten Wissenschaftler.


Natürliche Heilung bei Raumtemperatur

Die Widersprüche von Selbstheilung mit Ionenleitung lösten die Forscher mit Hilfe eines Mechanismus namens Ionen-Dipol-Wechselwirkung. Wang und das Team nutzten ein polares Polymer, also ein Polymer, dessen Moleküle sowie negativ als auch positiv geladen sind, und kombinierten dieses mit einem Salz mit hoher Ionenstärke, das dem Material die Erhaltung der Bindungen auch dann erlaubt, wenn elektrochemische Reaktionen stattfinden.

Das Resultat ist ein Material, das auf das bis zu 50-fache seiner ursprünglichen Größe gedehnt werden kann. Außerdem heilt sich das Material innerhalb von 24 Stunden nach einem Schnitt selber, ohne dass ein bleibender Schaden oder ein Leistungsverlust zurückbleibt. Bereits 5 Minuten nach einem Einschnitt ist das Material bereits so weit wieder repariert, dass es sich wieder auf das Doppelte seiner Größe dehnen lässt. Außerdem kommt es ohne einen Auslöser aus – die Selbstheilung findet ganz natürlich und bei Raumtemperatur statt.
Vielfältige Einsatzszenarien

Das Team testete das Material dann als Teil eines künstlichen Muskels aus einer klaren, nicht leitenden Membran zwischen zwei Schichten des neuen Materials. Der Muskel reagiert auf elektrische Signale, ähnlich wie sein biologisches Gegenstück. Dieser Muskel konnte sogar in der Mitte durchgeschnitten werden und sich dann selber wieder reparieren. Nachdem die Verletzung repariert war, war das Material wieder genauso leistungsfähig wie vorher.

Neben künstlichen Muskeln könnte das Material auch für Biosensoren. In Batterien oder eben selbstheilenden Robotern eingesetzt werden.

via New Atlas
Kommentar veröffentlichen