Faszination Technik Künstliche Muskeln lassen sich mit Schallwellen steuern

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie Forschende neuartige künstliche Muskeln aus Silikon entwickelt haben, die sich mithilfe von Schallwellen bewegen und sogar sanft zupacken können.

Auf den ersten Blick sieht es wie ein einfaches Materialexperiment aus: Ein kurzer Ultraschallimpuls reicht, und ein dünner Streifen Silikon beginnt sich zu biegen oder zu wölben. Doch es steckt viel mehr dahinter. Ein Team um Daniel Ahmed, Professor für akustische Robotik in den Biowissenschaften und im Gesundheitswesen, hat eine neue Klasse von künstlichen Muskeln entwickelt: flexible Membranen, die dank tausenden winzigen Luftbläschen auf Ultraschall reagieren.

Entwickelt wurden die neuartigen künstlichen Muskeln von Forschenden der ETH Zürich, der Universität Münster, der University of Nebraska-Lincoln, der RWTH Aachen und des DWI - Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien. Künftig könnten die Muskeln als Greifarm, Pflaster, zur gezielten Wirkstoffabgabe oder als Roboter in Medizin und Technik zum Einsatz kommen.

Flexible Bewegung dank Bläschenanordnung

Für die Herstellung der künstlichen Muskeln nutzten die Forschenden eine Gussform mit einer Mikrostruktur. Die in dieser Form hergestellte Silikonmembran hat auf ihrer Unterseite winzige Poren, Jede einzelne ist ca. 100 Mikrometer tief und breit, also etwa so dick wie ein menschliches Haar. Tauchen die Forschenden die Membran ins Wasser, bleiben winzige Luftbläschen in den Poren eingeschlossen.

Wenn Schallwellen auf diese Bläschen treffen, beginnen sie zu schwingen und erzeugen eine gerichtete Strömung, die den Muskel bewegt. Größe, Form und Anordnung der Bläschen lassen sich präzise steuern – so entstehen Bewegungen von gleichmäßiger Krümmung bis hin zu wellenförmigen Mustern. Die Muskeln reagieren innert Millisekunden und lassen sich drahtlos kontrollieren.

Sanftes Zupacken, gleitende Bewegung

Die Forschenden haben die künstlichen Muskeln in mehreren Anwendungen demonstriert. Eine davon ist ein weicher Miniatur-Greifarm. Im Experiment konnten sie zeigen, dass dieser eine Zebrafisch-Larve im Wasser behutsam umschließen und anschließend wieder freilassen konnte. „Es war faszinierend zu sehen, wie präzise und gleichzeitig sanft der Greifer funktioniert – die Larve schwamm danach unversehrt davon", beschreibt Zhiyuan Zhang, ehemaliger Doktorand bei Ahmed und einer der beiden Erstautoren der in der Fachzeitschrift Nature publizierten Studie.

Um die wellenförmigen Bewegungen zu demonstrieren, haben die Forschenden außerdem einen Roboter in Form eines winzigen Stachelrochens gebaut. Er ist ungefähr vier Zentimeter breit. Zwei künstliche Muskeln übernehmen die Funktion der Brustflossen. Sobald die Forschenden sie mit Ultraschall anregen, entsteht eine wellenförmige Bewegung, die den Miniroboter durchs Wasser gleiten lässt, ganz ohne Kabel. „Die wellenförmige Fortbewegung war für uns ein echtes Highlight", sagt Ahmed. „Sie zeigt, dass wir mit den Bläschen nicht nur einfache Bewegungen erzeugen können, sondern auch komplexe Muster wie bei einem lebenden Organismus."

Innovative Anwendungen in der Medizin möglich

Langfristig könnte der sogenannte Stingraybot, wie die Forschenden den Roboter nennen, im Magen-Darm-Trakt eingesetzt werden, um dort Medikamente punktgenau freizusetzen oder minimal-invasive Eingriffe zu unterstützen. Auch haben die Forschenden bereits überlegt, wie sich der Stingraybot in den Magen transportieren lässt: Sie rollen ihn auf und platzieren ihn in einer eigens dafür entwickelten Kapsel, die man schlucken kann und die sich im Magen auflöst.

Zudem stellten die Forschenden aus dem Silikon mit unterschiedlich großen Bläschen ein kleines Rad her, das sich ebenfalls mit Ultraschall antreiben lässt. In Versuchen mit einem Schweinedarm konnten sie zeigen, dass sich damit durch die Darmwindungen navigieren lässt, indem die Forschenden die unterschiedlich großen Bläschen nacheinander anregen.

Darüber hinaus entwickelten die Forschenden weiche Pflaster, die sich dank Ultraschallaktivierung auf gekrümmten Strukturen festhalten können. Solche Pflaster könnten individuell an Gewebeformen angepasst werden und Medikamente lokal freisetzen, etwa für die Behandlung von Narben oder Tumoren. In Experimenten gelang es dem Team bereits, als Test, Farbstoff gezielt in ein Gewebemodell einzuschleusen.

Noch bleibt es bei Laborversuchen, doch das Potenzial für künftige medizinische und technische Anwendungen ist groß. Langfristig könnten solche weichen Muskeln helfen, Medikamente präziser zu verabreichen und Eingriffe schonender zu machen. Die Kombination aus Biokompatibilität, Flexibilität und drahtloser Steuerung macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug für die Medizin. Für die Forschenden steht der Weg zu akustisch gesteuerten Muskeln erst am Anfang.

Literaturhinweis

Shi Z, Zhang Z, Schnermann J, Neuhauss SCF, Nama N, Wittkowski R, Ahmed D: Ultrasound-driven programmable artificial muscels. Nature (646, pages 1096–1104 (2025)). doi: 10.1038/s41586-025-09650-3

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