Faszination Technik Bioaktuatoren lassen kleine Roboter springen, schwimmen, gehen und greifen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Wie Muskelantriebe sich so stark verformen, dass sie kleine Roboter springen, schwimmen, gehen und greifen lassen.

Im Labor gezüchtetes Skelettmuskelgewebe kann sich zwar zusammenziehen, bislang aber oft nur so wenig, dass die Bewegung kaum sichtbar ist. Für biohybride Roboter, die sich mit lebenden Muskeln bewegen sollen, ist das ein Problem. Forschende der ETH Zürich haben nun lebendes Muskelgewebe und ein Hydrogel-Gerüst gemeinsam ausgelegt. Die etwa 1,5 Zentimeter langen Antriebe bewegten sich in Versuchen deutlich stärker als frühere Systeme mit vergleichbarer Muskelmenge. Sie können sich so stark verformen, dass die Bewegung mit bloßem Auge sichtbar ist. Die Forschenden berichten von einem bis zu elfmal größeren Bewegungsumfang als bei früheren Systemen mit vergleichbarer Muskelmenge. „Bei bisherigen Systemen musste man teilweise unter dem Mikroskop hinschauen, um die Verformung zu erkennen“, sagt Aiste Balciunaite, Doktorandin am Soft Robotics Lab von ETH-Professor Robert Katzschmann .

Gerüst entsteht im lichtbasierten 3D-Druckverfahren

Der Antrieb besteht aus gezüchtetem Skelettmuskelgewebe aus Mauszellen und einem weichen, wasserreichen Hydrogel. Auf elektrische Reize zieht sich das Muskelgewebe zusammen. Das Hydrogel stützt es und überträgt die Kontraktion in eine Bewegung des Roboters. Entscheidend war laut ETH, nicht erst einen Muskelaktor zu bauen und anschließend in eine Struktur einzusetzen. Stattdessen optimierten die Forschenden die Anordnung des Muskelgewebes und die Form des Gerüsts gemeinsam am Computer. Das Gerüst wurde mit einem lichtbasierten 3D-Druckverfahren hergestellt. Feine Rillen in seiner Oberfläche helfen, das Muskelgewebe zu verankern und die Muskelfasern auszurichten. So soll die Kraft des Gewebes möglichst wirksam auf die Struktur übertragen werden. Der Ansatz ähnelt damit einer konstruktiven Systemoptimierung: Die Eigenschaften des Aktors und die Geometrie der umgebenden Struktur werden aufeinander abgestimmt, statt unabhängig voneinander entwickelt zu werden.

Bioaktuator springt 5 mm hoch

Die neu entwickelten Bioaktuatoren können springen, schwimmen, sich über den Boden bewegen und Gegenstände greifen. Am meisten beeindruckt hat Balciunaite dabei das Springen. Dies sei eine eher ungewöhnliche Bewegung und verlange eine besonders starke Verformung. Gerade dieser Versuch zeige, wie wichtig das Zusammenspiel zwischen dem lebenden Muskel und dem weichen künstlichen Gerüst sei. Mit einer einzigen Kontraktion hebt sich der Aktuator etwa fünf Millimeter vom Boden der Schale ab, das entspricht einem Drittel seiner Körperlänge. Eine gehende Version legt 6,2 Millimeter pro Sekunde zurück und ist damit im Verhältnis zu ihrer Körperlänge schneller als jeder bisher bekannte laufende Biohybrid-Roboter.
Dass sich die kleinen Roboter so stark bewegen können, liegt nicht nur am Muskelgewebe. Entscheidend ist, dass Muskel und Gerüst eine durchgehende, feste Verbindung bilden. Feine Rillen im Gerüst helfen dem Gewebe, sich fest zu verankern und seine Muskelfasern auszurichten. So geht möglichst wenig der Muskelkraft verloren, wenn sie auf das Gerüst übertragen wird.

Weiter Weg aus dem Labor in die Praxis

Allerdings sind die biohybriden Roboter vorerst auf eine Nährflüssigkeit angewiesen, in der ihr Muskelgewebe überleben kann. Von einem langfristig einsetzbaren Roboter sind die Forschenden noch weit entfernt. ETH-Professor Robert Katzschmann erklärt, dass es für größere Systeme eine Art künstliche Blutversorgung braucht: ein Gefäßsystem, das Sauerstoff und Nährstoffe ins Gewebe bringt und Abfallstoffe abtransportiert. Dies ist eine der größten Herausforderungen für die weitere Entwicklung.Eine weitere Herausforderung ist die natürliche Variabilität des lebenden Gewebes. Anders als industriell gefertigte Bauteile verhalten sich die gezüchteten Muskelantriebe nicht alle genau gleich. Die Forschenden wollen deshalb besser verstehen und kontrollieren, wie sich Muskelgewebe während seiner Reifung im Labor entwickelt.