Neuartige künstliche Muskeln bewegen sich mit Schall

Auf den ersten Blick sieht es wie ein einfaches Materialexperiment aus: Ein kurzer Ultraschallimpuls reicht, und ein d¨¹nner Streifen Silikon beginnt sich zu biegen oder zu w?lben. Doch es steckt viel mehr dahinter. Ein Team um Daniel Ahmed, Professor f¨¹r akustische Robotik in den Biowissenschaften und im Gesundheitswesen, hat eine neue Klasse von k¨¹nstlichen Muskeln entwickelt: flexible Membranen, die dank tausenden winzigen Luftbl?schen auf Ultraschall reagieren.

Flexible Bewegung dank Bl?schenanordnung

F¨¹r die Herstellung der k¨¹nstlichen Muskeln nutzten die Forschenden eine Gussform mit einer Mikrostruktur. Die in dieser Form hergestellte Silikonmembran hat auf ihrer Unterseite winzige Poren, Jede einzelne ist um die 100 Mikrometer tief und breit, also etwa so dick wie ein menschliches Haar. Tauchen die Forschenden die Membran ins Wasser, bleiben winzige Luftbl?schen in den Poren eingeschlossen. 

Wenn Schallwellen auf diese Bl?schen treffen, beginnen sie zu schwingen und erzeugen eine gerichtete Str?mung, die den Muskel bewegt. Gr?sse, Form und Anordnung der Bl?schen lassen sich pr?zise steuern ¨C so entstehen Bewegungen von gleichm?ssiger Kr¨¹mmung bis hin zu wellenf?rmigen Mustern. Die Muskeln reagieren innert Millisekunden und lassen sich drahtlos kontrollieren.

Sanftes Zupacken, gleitende Bewegung 

Die Forschenden haben die k¨¹nstlichen 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 pr?zise und gleichzeitig sanft der Greifer funktioniert ¨C die Larve schwamm danach unversehrt davon?, erz?hlt Zhiyuan Zhang, ehemaliger Doktorand bei Ahmed und einer der beiden Erstautoren der in der Fachzeitschrift Nature publizierten externe Seite Studie. 

Um die wellenf?rmigen Bewegungen zu demonstrieren, haben die Forschenden ausserdem einen Roboter in Form eines winzigen Stachelrochens gebaut. Er ist ungef?hr vier Zentimeter breit. Zwei k¨¹nstliche Muskeln ¨¹bernehmen die Funktion der Brustflossen. Sobald die Forschenden sie mit Ultraschall anregen, entsteht eine wellenf?rmige Bewegung, die den Miniroboter durchs Wasser gleiten l?sst, ganz ohne Kabel. ?Die wellenf?rmige Fortbewegung war f¨¹r uns ein echtes Highlight?, sagt Ahmed. ?Sie zeigt, dass wir mit den Bl?schen nicht nur einfache Bewegungen erzeugen k?nnen, sondern auch komplexe Muster wie bei einem lebenden Organismus.? 

Langfristig k?nnte 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 unterst¨¹tzen. Auch haben die Forschenden bereits ¨¹berlegt, wie sich der Stingraybot dereinst in den Magen transportieren l?sst: Sie rollen ihn auf und platzieren ihn in einer eigens daf¨¹r entwickelten Kapsel, die man schlucken kann und die sich im Magen aufl?st. 

F¨¹r enge R?ume und sensible Oberfl?chen geeignet 

Zudem stellten die Forschenden aus dem Silikon mit unterschiedlich grossen Bl?schen ein kleines Rad her, das sich ebenfalls mit Ultraschall antreiben l?sst. In Versuchen mit einem Schweinedarm konnten sie zeigen, dass sich damit durch die Darmwindungen navigieren l?sst, indem die Forschenden die unterschiedlich grossen Bl?schen nacheinander anregen. ?Der Darm ist ein besonders schwieriges Umfeld, da er eng, kurvig und unregelm?ssig ist?, erkl?rt Zhan Shi, ehemaliger Doktorand bei Ahmed und der andere Erstautor. ?Gerade deshalb war es beeindruckend, dass unser Rad-Roboter sich darin tats?chlich bewegen konnte.? 

Dar¨¹ber hinaus entwickelten die Forschenden weiche Pflaster, die sich dank Ultraschallaktivierung auf gekr¨¹mmten Strukturen festhalten k?nnen. Solche Pflaster k?nnten individuell an Gewebeformen angepasst werden und Medikamente lokal freisetzen, etwa f¨¹r die Behandlung von Narben oder Tumoren. In Experimenten gelang es dem Team bereits, als Test, Farbstoff gezielt in ein Gewebemodell einzuschleusen. 

Weiche Muskeln mit medizinischem Potenzial

?Zuerst haben wir die Grundlagenforschung durchgef¨¹hrt und dann demonstriert, wie vielseitig die k¨¹nstlichen Muskeln einsetzbar sind: von der Medikamentenabgabe ¨¹ber die Fortbewegung im Magen-Darm-Trakt bis hin zu Pflastern am Herzen?, fasst Ahmed zusammen. 

Noch bleibt es bei Laborversuchen, doch das Potenzial f¨¹r k¨¹nftige medizinische und technische Anwendungen ist gross. Langfristig k?nnten solche weichen Muskeln helfen, Medikamente pr?ziser zu verabreichen und Eingriffe schonender zu machen. Die Kombination aus Biokompatibilit?t, Flexibilit?t und drahtloser Steuerung macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug f¨¹r die Medizin. F¨¹r die Forschenden steht der Weg zu akustisch gesteuerten Muskeln erst am Anfang.