Mit einem Verfahren, das Wilhelm Conrad Röntgen einst zur Belustigung des Laborpersonals erfand, haben Forscher nun eine Art künstlichen Muskel entwickelt: Flexible Bänder aus einem elastischen Kunststoff dehnen sich unter Einfluss von Elektrizität aus und ziehen sich bei abgeschalteten Strom wieder zusammen.

Gummiband als künstlicher Muskel
© Keplinger, C. et al.: Röntgen’s electrode-free elastomer actuators without electromechanical pull-in instability. In: PNAS 107, S. 4505-4510, 2010, fig. 1
(Ausschnitt)
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Auf ein vorgespanntes Gummiband werden mit einer unter Spannung gesetzten Nadel Ladungen aufgebracht. Die Anziehung von Vorder- und Rückseite sorgt dann dafür, dass sich das Band ausdehnt.
Die Forscher um Siegfried Bauer von der Johannes-Kepler-Universität Linz verwenden dazu einen breiten Streifen aus einem mehrere Millimeter dicken, elastischen Kunststoff, der durch ein Gewicht in die Länge gezogen wird. Um die Längsausdehnung des Bandes zu variieren, "sprühten" sie mit feinen Nadeln elektrische Ladungen auf: Die Vorderseite wird positiv, die Rückseite negativ geladen. Durch die gegenseitige Anziehung der Seiten verringert sich die Dicke des Bands, und es wird vom Gewicht in die Länge gezogen. Kehrt man die Polarität der Nadeln um oder lässt den Apparat ruhen, verschwindet die Anziehungskraft, und der Gummi verkürzt sich wieder.

In abgewandelter Form findet diese Technik schon vielfach Verwendung. Technische Anwendungen, die sich diesen Effekt zu Nutze machen, sprühen allerdings die Ladungen nicht auf wie einst Röntgen, sondern verwenden stattdessen biegsame Elektroden, die das Band auf beiden Seiten berühren. Bauers Team demonstrierte nun aber einige Vorteile des vermeintlich primitiveren Ansatzes aus dem Jahr 1880.

Eine bessere Messtechnik, als sie dem Physiker damals zur Verfügung stand, erlaube es heute die Vorgänge in den "Muskeln" besser zu verstehen. Die beidseitige Elektrodenschicht blockiere außerdem den Zugang für Messinstrumente. Vor allem aber beobachteten die Wissenschaftler, dass bei ihrer Methode der so genannte Pull-in-Effekt stark abgeschwächt wird: Er tritt auf, wenn das Band so dünn wird, dass die beiden unterschiedlich geladenen Seiten zusammenschlagen. Beim herkömmlichen Verfahren verbietet sich so das Anlegen zu hoher Spannungen. Die Linzer Forscher könnten nun deutlich schwerere Lasten bewegen.

Und noch ein weiteres Anwendungsfeld eröffnet das elektrodenlose System: Wird der Gummi aus transparentem Material gefertigt, könnte die Form optischer Bauteile wie Linsen durch An- und Abschalten des Stroms kontrolliert werden. Bauer und Kollegen experimentieren bereits mit einer Linse, deren Brennweite sich so einstellen ließe.

Noch verlangt das Verfahren nach extrem hohen elektrischen Spannungen, was einen Einsatz solcher Gummimuskeln verhindert. Nach eigenen Angaben basteln die Forscher aber bereits an Auswegen. (jd)