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Actuator 2014 Künstliche Muskeln aus Carbon

| Autor / Redakteur: Gerhard Vogel / Michael Ziegler

Auf der Actuator 2014 – 23. bis 25. Juni 2014, Messe Bremen – stehen neben konventionellen Antrieben auch innovative Wirkprinzipien im Fokus: ein zukunftsorientiertes Projekt befasst sich mit künstlichen Muskeln aus Carbon.

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Carbon Nanotubes sind bis zu 10.000 Mal dünner als Menschenhaare und werden zu kraftvollen Aktoren, wenn ihre Wachsfüllung erhitzt wird. Dann dehnt sich das eingeschlossene Wachs aus und bewirkt, dass sich das verdrillte Garn aus Carbon-Nanotubes linear verkürzt oder blitzschnell verdreht.
Carbon Nanotubes sind bis zu 10.000 Mal dünner als Menschenhaare und werden zu kraftvollen Aktoren, wenn ihre Wachsfüllung erhitzt wird. Dann dehnt sich das eingeschlossene Wachs aus und bewirkt, dass sich das verdrillte Garn aus Carbon-Nanotubes linear verkürzt oder blitzschnell verdreht.
(Foto: Intelligent Polymer Research Institute an der australischen Universität von Wollongong)

Motoren, die ohne Kohlebürsten und Kugellager arbeiten und dennoch Unglaubliches leisten, lassen Produktentwickler auf der ganzen Welt aufhorchen. So auch der Einsatz von paraffingefüllten Carbon Nanotubes in garnartigen Aktoren, die Propeller auf 11.500 Umdrehungen pro Minute beschleunigen oder mit einer 85-fach höheren Zugkraft Lasten heben als ein gleichgroßer natürlicher Muskel. Doch eines ist klar, wer diese Technologie künftig nutzen will, muss frühzeitig den Dialog mit den weltweit führenden Entwicklern dieser Technologie aufnehmen – etwa auf der Kongressmesse Actuator 2014, die vom 23. bis 25. Juni 2014 in der Messe Bremen stattfindet.

Carbon Nanotubes sind bis zu 10.000 Mal dünner als Menschenhaare und werden zu kraftvollen Aktoren, wenn ihre Wachsfüllung erhitzt wird. Dann dehnt sich das eingeschlossene Wachs aus und bewirkt, dass sich das verdrillte Garn aus Carbon-Nanotubes linear verkürzt oder blitzschnell verdreht. Auf dieser Grundlage gelang es Forschern der australischen Universität von Wollongong, der kanadischen Universität von British Columbia und dem NanoTech Institute an der Universität von Texas elektrolytunabhängige künstliche Muskeln herzustellen, die einen Propeller in nur 1,2 Sekunden auf 590 Umdrehungen pro Minute beschleunigen. Der Propeller wiegt 16,5 Mal so viel, wie der Garnaktor selbst.

Bis zu 11.500 Umdrehungen pro Minute

Diese elektrolytfrei arbeitenden künstlichen Muskeln ermöglichen schnelle und kraftvolle Arbeitstakte – je nach Ausprägung Dreh- oder Zug-Bewegungen. Über eine Million reversible Zyklen werden erreicht und bis zu 11.500 Umdrehungen pro Minute erzielt. An den linear wirkenden Zugaktoren wurde eine Kontraktion von 3 Prozent der Aktorlänge bei bis zu 1.200 Zyklen pro Minute gemessen. Die Rotation erfolgt 20-mal schneller als bei anderen künstlichen Muskeln und die Leistungsdichte von 27,9 kW/kg führt bei der Muskelkontraktion zu einer 85-mal höheren Kraft als natürliche Muskeln vergleichbarer Größe aufbringen.

Die Neuentwicklung erfordert keinen Elektrolyten und keine Konterelektrode. Die doppelt verdrillten Nanoröhren umschließen die Wachsfüllung sowohl im festen als auch im flüssigen Aggregatzustand und sorgen obendrein für die mechanische Festigkeit zur Beibehaltung der spiralförmigen Geometrie – als Voraussetzung für die aktorische Betätigung, die prinzipiell auch ohne Wachsfüllung möglich ist. Wohlgemerkt im Temperaturbereich zwischen – 50⁰C und +2.500⁰C und damit weit über dem Schmelzpunkt von Stahl.

Das Wachs in den Carbon Nanotubes (CNT) der Hybrid-Garne wird elektrisch, chemisch oder mithilfe von Lichtblitzen aufgeheizt. Die Ausdehnung der Wachsfüllung erzeugt dann schnelle und kraftvolle Dreh- oder Zug-Bewegungen. In Versuchen konnten die an zwei Enden eingespannten Nanotube-Garne das 17.700-fache ihres eigenen Gewichts heben.

Alles andere als träge

Wenngleich ein thermischer Prozess die Bewegung bewirkt und die Rückstellung durch die passive Abkühlung des Paraffins erfolgt, sind die Aktoren nicht träge. Dies liegt an der winzigen Füllmenge des Wachses in den ultrafeinen Nanoröhrchen. Die sehr schnelle, hoch reversible Torsionsbetätigung hat bereits einen „Dauerlauf“ von 2 Millionen Zyklen absolviert. Das dabei verwendete 6,9 cm lange Garn hat einen Durchmesser von 10 μm. Bei der Erhitzung schmilzt das Paraffin und dehnt die CNT in ihrer Breite aus. Dadurch zieht sich die aus den Carbon Nanoröhren hergestellte Spirale zusammen. Für diesen Reaktionsablauf braucht die Nanoröhre nur den 25-tausendsten Teil einer Sekunde. Noch hemmen hohe Kosten für die Carbon-Nanotubes deren intensive Anwendung, doch mit sinkenden Vormaterialkosten steigen die Chancen, aus dem Kohlenstoff-Nanoröhren-Garn künstliche Muskeln für unterschiedliche Betätiger in der Industrie herzustellen. So zum Beispiel auch Aktoren für die feingliedrigen Hände humanoider Roboter. Selbst biokompatible künstliche Muskeln für die Human-Implantation stehen bereits im Fokus der Forscher, wenngleich noch nicht in naher Zukunft.

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