Video: Ausgelöst durch Strom oder Licht, kann das thermoresponsive Hydrogel mit integriertem Graphen-Netzwerk Bewegungsaufgaben erledigen. © Margarethe Hauck
Kräftig und dennoch geschmeidig: Von natürlichen Muskeln inspiriert, haben Forscher Hydrogele in leistungsstarke Motorik-Elemente verwandelt, die sich durch elektrischen Strom oder Wärmestrahlung aktivieren lassen. Das hauptsächlich aus Wasser bestehende Material wurde dazu mit feinen Röhrchen-Strukturen ausgerüstet. Sie ermöglichen schnelle Änderungen des Wassergehalts und damit des Volumens, um Bewegungsaufgaben auszuführen. Das neuartige Konzept könnte nun Entwicklungen in der Soft-Robotik voranbringen, sagen die Wissenschaftler.
Hartes Metall und steife Kunststoffe haben lange die Entwicklung der Robotik geprägt – doch bereits seit einiger Zeit hat dort eine Technologie Einzug gehalten, die sich an den eher sanften Konzepten und Materialien der Natur orientiert: Entwicklungen der Soft-Robotik ermöglichen Anwendungen, die herkömmliche Systeme mit ihren starren Strukturen nicht bieten. Denn sie können mit empfindlichen Objekten umgehen oder sich flexibel und zerstörungsfrei in komplexen Umgebungen bewegen. Dadurch besitzen sie vielfältiges Anwendungspotenzial etwa in der Industrie oder Medizin. Zur Bewegung dieser Systeme kommen Einheiten zum Einsatz, die die Funktion von Muskeln übernehmen. Dabei gibt es bereits Konzepte, die auf pneumatischen oder hydraulischen Effekten beruhen. Ein Forscherteam unter der Leitung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) widmet sich hingegen dem Potenzial von Hydrogelen als motorische Einheiten in der Soft-Robotik.
Es handelt sich dabei um Gebilde auf der Grundlage von Polymerstoffen, die enorme Wassermengen aufnehmen können. Sie ähneln damit dem Aufbau und der Konsistenz von Körpergeweben wie Muskeln. Prinzipiell können thermoresponsive Hydrogele auch zu wiederholten Kontraktionen angeregt werden. Ab einer Temperatur von 32 Grad Celsius geben sie Wasser ab und verringern so ihr Volumen um bis zu 90 Prozent. Sinkt die Temperatur, nimmt das Hydrogel das Wasser dann wieder auf und kehrt zu seiner ursprünglichen Größe zurück. „Im Grunde haben diese Hydrogele damit schon das Potenzial, wie ein menschlicher Muskel zu funktionieren“, sagt Erst-Autorin Margarethe Hauck von der CAU. Doch für den Einsatz als weiche Antriebselemente für neuartige Soft-Roboter eignen sich die bisherigen Hydrogele nicht. Denn der Prozess der Volumenänderung ist viel zu langsam für die meisten praktischen Anwendungen.
