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Robotik und Materialforschung Künstlicher Muskel für Humanoide vereint Sensorik und Antrieb

Von Manuel Christa 2 min Lesedauer

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Ein neues Materialkonzept verleiht Robotern einen biologisch inspirierten Tastsinn. Forschende kombinieren Flüssigkristall-Elastomere mit Flüssigmetall, sodass künstliche Muskeln gleichzeitig greifen und ihre eigene Verformung spüren.

„Fühlender Muskel“: Feine, hell schimmernde Kanäle aus flüssigem Metall in einem Serpentinenmuster fungieren gleichzeitig als elektrische Heizung und hochsensible Dehnungssensoren.(Bild: Gemini / KI-generiert)
„Fühlender Muskel“: Feine, hell schimmernde Kanäle aus flüssigem Metall in einem Serpentinenmuster fungieren gleichzeitig als elektrische Heizung und hochsensible Dehnungssensoren.
(Bild: Gemini / KI-generiert)

Wenn Roboter mit Menschen oder empfindlichen Objekten interagieren, müssen sie nachgiebig reagieren und ihre Krafteinwirkung exakt spüren. Klassische, starre Antriebe scheitern hier oft. Ein Forschungsteam der Seoul National University (Südkorea) und der University of California, San Diego (USA) hat nun das biologische Prinzip des Muskel-Sehnen-Komplexes auf die weiche Robotik übertragen. Beim Menschen messen im Gewebe eingebettete Rezeptoren kontinuierlich Muskellänge und Spannung.

Die Wissenschaftler nutzen dafür Flüssigkristall-Elastomere, deren Form sich bei Verschiebungen der inneren Molekülstruktur, etwa durch Wärme, verändert. Während bisherige Ansätze externe Sensoren benötigten, integriert das neue Konzept die Sensorik direkt in die Muskulatur und schafft so einen geschlossenen Regelkreis.

Flüssigmetall liefert Wärme und Sensordaten

Der Muskel besteht aus zwei ineinandergreifenden Elastomer-Abschnitten, die Sehne und Muskel imitieren. In feinen Kanälen im Inneren verläuft flüssiges Metall. Fließt Strom durch den Muskelteil, erwärmt sich das Material und zieht sich zusammen.

Zugleich fungiert das Metall als Sensor: Bei Verformung ändert sich der elektrische Widerstand. Der künstliche Muskel registriert dadurch in Echtzeit Dehnung und Zugkraft. Das System ermittelt seinen Zustand autark und meldet ihn an die Steuerung.

Um Bewegungen zu verfeinern, ordnen die Konstrukteure zwei Muskeln als antagonistisches Paar an, wie Bizeps und Trizeps. Zieht sich ein Muskel durch Erwärmung zusammen, dehnt er seinen Gegenspieler. Das löst ein Problem thermischer Antriebe: Das aktive Ziehen in die Gegenrichtung beschleunigt die im Vergleich zum schnellen Aufheizen langsame Abkühlung an der Raumluft.

Greifer sortiert Objekte nach Härtegrad

Im Labor bewährte sich das Konzept an einem Roboterfinger und einem Greifer. Der Finger beugt und streckt sich präzise; bei Widerstand erfassen die Sensoren diesen sofort. Im Versuch fasste der Greifer Bälle aus weichem oder hartem Silikon sowie Stoff. Sobald die Finger das Objekt berühren, analysiert das System die Dehnung der künstlichen Sehnen.

So unterscheidet der Roboterarm selbstständig zwischen weichen und harten Bällen sowie deren Größe und legt sie zielgenau ab. Optimierungsbedarf besteht noch bei der Kühlung, da sich bei wiederholten Bewegungen Wärme staut und die Zugkraft mindert. Zukünftige Versionen sollen durch dünnere Schichten oder aktive Kühlelemente schneller reagieren. (mc)

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