Kraftpakete der Zukunft Ein neuartiges Material: Elektroaktive Polymere sind elastisch und verformen sich unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung (Medienservice, Nr. 2, April 2005)

Anfang März 2005 fand in San Diego, Kalifornien, eine Weltmeisterschaft der besonderen Art statt: Eine siebzehnjährige Studentin mass sich im Armdrücken mit drei Robotern. Einer davon wurde an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf entwickelt, zwei in den USA. Wären die Gegner mit herkömmlichen Motoren oder pneumatischen Pumpen ausgerüstet gewesen, hätte die junge Frau kaum eine Chance gehabt. Doch die Studentin trat gegen elektroaktive Polymere an, eine Art künstlicher Muskeln – und gewann.

Erfolg trotz Niederlage
Den Robotern fehlte es nicht an Kraft, sondern an Ausgereiftheit. «Unser Roboter ist im Prototypenstadium. Wenn alle Teilsysteme funktionieren, wird er gewinnen», sagte Silvain Michel, Gruppenleiter Adaptive Struktursysteme an der Empa, vor dem Wettbewerb. Doch die Studentin bezwang den Roboter in kurzer Zeit. Er konnte nicht mit voller Kraft drücken, da nur ein Teil der künstlichen Muskelstränge aktiviert werden konnte. Trotzdem bedeutet die Weltmeisterschaft einen grossen Erfolg für das Team. Der Roboter aus der Schweiz war den anderen Maschinen weit überlegen. «Die Fachwelt war beeindruckt, dass wir künstliche Muskeln in dieser Menge und Stabilität herstellen können», schildert Michel die Reaktionen aus San Diego.
Für ihren Roboter bauten die Forscher der Empa über 250 zylinderförmige Muskelstränge. Dabei nutzen die Forscher die Eigenschaften eines alltäglichen Materials. Polymerfolien – bekannt als handelsübliche Klebefolien – sind sehr elastisch und ändern ihre Form unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Sie werden dünner und dehnen sich in der Länge und Breite aus. Um das elektrische Feld zu erzeugen, beschichten die Forscher das Polymer auf beiden Seiten mit leitfähigem Grafitpulver. Legt man nun eine Spannung zwischen den Grafitschichten an, entsteht wie bei einem Kondensator ein elektrisches Feld. Die Polymerfolie und mit ihr die Grafitschichten dehnen sich seitlich aus – eine leichte, elastische Fläche, die sich kontinuierlich auf mehr als das Doppelte vergrössern lässt.

Künstliche Muskeln
Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet elektroaktiver Polymere ist die biomedizinische Technik. Es gibt zwar viele technische Systeme wie pneumatische Pumpen oder Elektromotoren, die wie Muskeln Kraft erzeugen können. Doch alle haben gewichtige Nachteile. Mal sind sie zu schwer und zu gross, mal zu wenig dehnbar oder zu schwach. Elektroaktive Polymere hingegen sind natürlichen Muskeln sehr ähnlich: Bei vergleichbarer Leistungsfähigkeit sind die künstlichen Systeme etwa gleich gross und gleich schwer wie natürliche Muskeln. Dank ihrer hohen Elastizität können sie sich unzählige Male ausdehnen und wieder zusammenziehen.
Bei der Herstellung der Muskelstränge wickeln die Forscher 10 bis 50 Lagen der beschichteten Polymerfolie um eine zusammengedrückte Feder. Legt man eine elektrische Spannung an, dehnt sich die Polymerfolie in Längsrichtung und die Feder entspannt sich. Der künstliche Muskel verlängert sich um bis zu 30 Prozent. Schaltet man die Spannung ab, zieht sich der Zylinder auf die ursprüngliche Länge zusammen. Damit verhalten sich die technischen Systeme genau umgekehrt zu natürlichen Muskeln, die im Ruhezustand länger sind.

Technologie mit Zukunft
Ob elektroaktive Polymere dereinst natürliche Muskeln ersetzen können, wird sich erst zeigen. «Das Potenzial der Technologie wird in Fachkreisen sehr hoch eingeschätzt», weiss Michel. Doch der Forscher erwartet noch einen erheblichen Entwicklungsaufwand. Ein Hindernis sind die hohen Spannungen. Die künstlichen Muskeln der Empa werden derzeit mit Spannungen von vier bis fünf Kilovolt betrieben – für den Einsatz im menschlichen Körper sind diese Werte mehr als hundertmal zu gross.
Elektroaktive Polymere lassen sich nicht nur als künstliche Muskeln einsetzen. Die Anwendungen sind vielfältig: Flügelprofile könnten ihre Form dynamisch an die jeweiligen Flugbedingungen anpassen. So würde der Treibstoffverbrauch stark reduziert. Denkbar sind auch elastische Rohre, die lokal ihren Durchmesser ändern und empfindliche Flüssigkeiten transportieren.

Dieser Artikel entstand im Auftrag der Empa.