Industrie + Technik

Künstliche Muskeln helfen bislang nur Robotern, sich zu bewegen. Diese elektrohydraulischen Aktuatoren könnten auch Menschen unterstützen, etwa bei Krankheit oder im Alter. Nun sind sie sogar kompostierbar.<p>Auf elektrisch angetriebene künstliche Muskeln setzt ein internationales Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart und der Universität Linz. „Roboter könnten mit diesen Muskeln stärker wie lebende Organismen agieren als bisher“, sagt Ellen Rumley, Gastforscherin am Max-Planck-Institut. Sie ist Erstautorin des in der Zeitschrift <i>Science Advances</i> erschienenen Artikels „Biodegradable electrohydralic actuators for sustainable soft robots“.</p><h2 type="main">Biologisch abbaubar</h2><p>Von tragbaren <link href="#nadc20234138076-fig-0001">Geräten, die uns im Alltag unterstützen, bis hin zu Rettungsrobotern, die in Katastrophengebieten nach Vermissten suchen, – künstliche Muskeln eröffnen zahlreiche Möglichkeiten. „Die Robotikforschung fokussiert sich im Moment vermehrt auf Modelle, die in den menschlichen Körper integrierbar sind,“ sagt Rumley.</p><figure xml:id="nadc20234138076-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Qgigy8sR2K1bCp89pvzx"><figcaption><label>Abb.1: </label>Ein biaxial orientierter, biologisch abbaubarer Greifer auf Basis von Polymilchsäure mit Faserplattensegmenten, der einen Salatkopf greift. Quelle: doi: 10.1126/sciadv.adf5551</figcaption></figure></figure><p>Die Wissenschaftlerin, die vor ihrem Umzug nach Deutschland an der University of Colorado einen Master in Mechanical Engineering erworben hat, sieht Bedarf an nachhaltigen Materialien. Deshalb war es den am Projekt beteiligten Forscherinnen und Forschern wichtig, einen Muskel zu entwickeln, der vollständig biologisch abbaubar ist. Sollten die Muskeln beschädigt sein oder nicht mehr richtig funktionieren, sind sie laut Rumley unter kontrollierten Bedingungen nach sechs Monaten vollständig abgebaut.</p><h2 type="main">Muskel aus Plastiktüten</h2><p>Das Basisrezept der Robotermuskeln ist simpel: Gelatine, Öl und eine Tüte aus Bioplastik. Der Muskel setzt sich aus dem mit pflanzlichem Öl befüllten Kunststoffbeutel sowie zwei an den Seiten befestigten Elektroden aus Gelatine zusammen. Der Gelatine wird Natriumchlorid zugesetzt, was die Ladungsbewegung ermöglicht. Damit lassen sich die Muskelbewegungen des menschlichen Körpers mit Stromstößen nachahmen.</p><p>Rumley sagt: „Sobald wir an die Elektroden Hochspannung anlegen, verschiebt sich das Öl aufgrund der erzeugten elektrostatischen Kräfte. Dadurch zieht sich der Plastikbeutel zusammen wie ein echter Muskel.“ Die Polymere, aus denen der Ölfilm besteht, fungieren zwar als elektrischer Isolator, reagieren aber dennoch auf ein elektrisches Feld, indem sie Dipole bilden. Dies bedeutet, dass die negativ geladenen Teile des Polymers sich in Richtung der positiven Elektrode strecken und die positiv geladenen umgekehrt. Dadurch fungiert der Polymerfilm als Kondensator und speichert Ladungen entlang der Filmoberfläche.</p><p>Diese Aktuatoren sind insgesamt etwa sechs Zentimeter breit und zwei Zentimeter hoch. Abhängig von der Last, die angebracht wird, zieht sich der künstliche Muskel um bis zu 17 Prozent zusammen. Das entspricht etwa drei bis vier Millimetern. Durch den Wechsel zwischen serieller und paralleler Schaltung lässt sich die Hub- oder Gesamtkraft variieren – ähnlich wie bei natürlichen Muskelfasern. Diese Flexibilität ermöglicht es, die künstlichen Muskeln verhältnismäßig einfach an Anwendungen anzupassen, etwa auch, um Maschinen präziser arbeiten zu lassen.</p><h2 type="main">Unter Spannung</h2><p>Alle Materialien im Plastikmuskel müssen den elektrischen Spannungen standhalten. Die Forscherinnen und Forscher haben zwei Arten von Bioplastik getestet: biaxial orientierte Polymilchsäure, kurz boPLA, und Bio-Polyester.</p><p>Die Besonderheit der boPLA ist ihre biaxiale Verstreckung – bei der Herstellung werden die Polymere also in zwei Richtungen gleichzeitig gestreckt. Das erhöht die Spannungsresistenz. Rumley sagt: „Für die biaxial orientierte Polymilchsäure ist eine Spannung von bis zu 6000 Volt kein Problem. Bio-Polyester hingegen hält mit seiner uniformen Oberfläche maximal 4000 Volt aus.“</p><p>Allerdings haben Polylactide auch einen Nachteil: Während Bio-Polyester mehreren hunderttausend Stromimpulsen standhält, beginnt boPLA bereits nach wenigen hundert Malen zu bröckeln und Löcher zu bilden. Künftig muss also – je nach Anwendung – zwischen besserer Standhaftigkeit und größerer Spannungshöhe abgewogen werden.</p><p>Die Leistungsfähigkeit der biologisch abbaubaren Muskeln ist nicht schlechter als die der Aktuatoren aus umweltschädlicheren Materialien. Das Forschungsprojekt beweist, dass es möglich ist, leistungsstarke Roboter zu schaffen, die sich herstellen lassen, ohne die Umwelt zu schädigen oder Ressourcen zu verschwenden. Die verwendeten Polymere werden derzeit kommerziell hergestellt, vorwiegend für die Lebensmittelindustrie.</p><h2 type="main">Im Alter unterstützen</h2><p>Künstliche Muskeln sind nicht nur bei der Konstruktion von Robotern hilfreich, sondern vereinfachen es auch, technische Geräte in den menschlichen Organismus zu integrieren. Was klingt wie Science Fiction, hat Rumley zufolge Vorteile: Immerhin passten sie sich verglichen mit sperrigen Prothesen besser an die Voraussetzungen des jeweiligen Körpers an.</p><p>Darüber hinaus könnten Patientinnen und Patienten mit solchen Prothesen Gegenstände heben, die ihnen sonst zu schwer wären. Langfristig gesehen sollen die künstlichen Muskeln deshalb so adaptiert werden, dass sie sich im menschlichen Körper einsetzen lassen.</p><h2 type="main">Muskeln stabilisieren</h2><p>Die Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts möchte sich auf die Behandlung von Tremor-Patienten spezialisieren. Hier stabilisieren die künstlichen Muskeln die eigenen. Rumley geht davon aus, dass das Grundprinzip der künstlichen Muskeln in weniger als einem Jahrzehnt Anwendung findet. Bevor es jedoch denkbar ist, die Muskeln an Personen zu testen, muss das Team noch optimieren, denn „aktuell konzentrieren wir uns auf die Erforschung des grundlegenden Prozesses“.</p><p>Anna Tratter ist freie Mitarbeiterin der Nachrichten aus der Chemie.</p>

Materialchemie

Für die Prothesen der Zukunft

Künstliche Muskeln helfen bislang nur Robotern, sich zu bewegen. Diese elektrohydraulischen Aktuatoren könnten auch Menschen unterstützen, etwa bei Krankheit oder im Alter. Nun sind sie sogar kompostierbar.Auf elektrisch angetriebene künstliche Muskeln setzt ein internationales Team aus Wissensch...

Wenn Menschen sensorische Eigenschaften bewerten, kann das nicht objektiv sein. Nun unterstützt ein Echtzeitsensor die Analyse flüchtiger organischer Verbindungen, etwa von Kirscharomen.<p>Geruchsempfinden ist ein komplexer und vor allem ein subjektiver Prozess: Erfahrungen, Assoziationen, Alter, Geschlecht, Gesundheitszustand, individuelle Unterschiede im Geruchssinn sowie psychologische und emotionale Zustände beeinflussen, wie wir Gerüche wahrnehmen. Dadurch unterscheidet sich die Wahrnehmung von Mensch zu Mensch. Zudem kann derselbe Mensch je nach Tageszustand – man denke nur an die Schnupfensaison – unterschiedliche Ergebnisse liefern.</p><p>Foto: domnitsky / Adobe Stock</p><h2 type="main">Geschult, aber nicht perfekt</h2><p>Ein menschliches Sensorikpanel ist eine speziell geschulte Gruppe von Menschen (Panelschulungen nach DIN EN ISO 8586). Sie sind geschult darin, die sensorischen Eigenschaften von Produkten, Lebensmitteln, Getränken oder anderen Substanzen zu bewerten. Diese Panels sollen die sensorische Qualität und Akzeptanz von Produkten beurteilen, etwa in der Lebensmittel-, Getränke- und Kosmetikindustrie, in der pharmazeutischen und der Verpackungsindustrie.</p><p>Obwohl die Schulungen dazu beitragen, die Wahrnehmung der einzelnen Panel-Teilnehmer:innen zu standardisieren und zu vereinheitlichen, bleibt der subjektive Faktor unvermeidbar. Zudem sind sensorische Bewertungen in der Regel halbquantitativ oder lediglich qualitativ. Das bedeutet: Zwar sind Aussagen über die An- und Abwesenheit von Gerüchen möglich, aber nicht zu deren Konzentration.</p><h2 type="main">Objektive Massenspektrometrie</h2><p>Um den Nachteilen der Panels entgegenzuwirken, ergänzen Unternehmen diese zunehmend mit instrumentellen Analysemethoden, die objektive Geruchsergebnisse liefern sollen.</p><p>In der instrumentellen Analytik wird in der Regel die zu analysierende vorbereitete Probe über Gaschromatographie (GC) in einen gasförmigen Zustand gebracht und anschließend in einem Massenspektrometer (MS) erfasst. Probenvorbereitung und Analyse benötigen abhängig von Gerät und Programm zirka 10 bis 30 Minuten. Darüber hinaus sind die Geräte teuer zu erwerben und zu betreiben. Ergebnisse in Echtzeit, ähnlich wie bei einem menschlichen Sensorikpanel, sind bei instrumenteller Analyse mit den gängigen Verfahren nicht möglich.</p><p>Die Lösung: Ein hochsensibler und leicht handhabbarer Echtzeitsensor, der datengetrieben die Analyse flüchtiger organischer Verbindungen unterstützt.</p><h2 type="main">Fließband-Massenspektrometrie</h2><p>Basierend auf einer neuartigen Ionisierungstechnik hat das Unternehmen Plasmion einen Echtzeitsensor zur Geruchsanalyse entwickelt. Die weiche Ionisierung durch chemische Reaktion beim Transfer (soft ionization by chemical reaction in transfer, Sicrit) öffnet neue Anwendungsgebiete für die Massenspektrometrie. Die Technik setzt an der Schnittstelle zwischen Probennahme und der Messung im Massenspektrometer an.</p><p>Herkömmliche GC/MS- und LC/MS-Verfahren kombinieren die chromatographische Trennung der Analyten, die Ionisierung und das massenspektrometrische Erfassen. Die Sicrit-Technik dagegen entkoppelt die Detektion vom Separationsverfahren und ermöglicht so, die Probe flexibel zum Massenspektrometer zu führen. Ionisiert wird dabei direkt im Durchfluss, in der Verlängerung des Atmosphärendruck-Einlasssystems von LC-Massenspektrometern. Mit anderen Worten, die gasförmige Probe wird während ihres Wegs zum Detektor ionisiert. So ist etwa das Massenspektrum von Diazinon nach weicher Ionisierung weniger fragmentiert als nach Elektronenionisation (EI).</p><p>Die Sicrit-Ionenquelle ermöglicht ein MS-basiertes Echtzeitscreening mit wenig bis keiner Probenvorbereitung. Das neueste Produkt des Unternehmens ist das Havoc-Sensorsystem: Massenspektrometrie mit der eigenen Ionenquelle und einer auf eine industrielle Umgebung zugeschnittenen Benutzeroberfläche. Die Echtzeitsensoren erfordern keine labortechnischen Vorkenntnisse zum Bedienen und Daten auswerten. Die Messdaten verarbeitet das System im Hintergrund, und das Analysenergebnis erhalten Anwender visualisiert.</p><h2 type="main">Der Geruch von Kirscharoma</h2><p>Ein menschliches Sensorikpanel und das Havoc-Sensorsystem haben vier kommerziell erhältliche Kirscharomen bewertet: Amarena, Sauerkirsche, Süßkirsche und Wildkirsche.</p><p>Die Analyse des sensorischen Panels wurde mit zwei Proben (Wiederholungen) jedes Aromas in flüssiger Lösung durchgeführt. Allen Proben wurde ein zufällig ausgewählter dreistelliger numerischer Code zugewiesen. Die elf Panelisten sollten an den Proben riechen und sie auf einem DIN-A3-Blatt entsprechend ihrer wahrgenommenen Ähnlichkeit positionieren. Dabei sollten ähnliche Proben nahe beieinander und unähnliche Proben weit auseinander platziert werden. Die Probanden wussten, dass sie vier unterschiedliche Kirscharomen erhielten. Die Positionen der Proben auf dem Papier wurden als X- und Y-Koordinaten aufgezeichnet und die Daten einer Hauptkomponentenanalyse unterzogen (principal component analysis, PCA). Diese verringert die Variablenzahl in einem Datensatz und stellt Beziehungen zwischen den Daten her. So lassen sich das Clustering, also das Ordnen der Datenpunkte zu Gruppen, und die Unterscheidung der Kirscharomen bewerten.</p><p>Zudem hat das Havoc-Sensorsystem die Proben analysiert (<link href="#nadc20234138414-fig-0001">Abbildung oben). Der Scores-Plot der Ergebnisse zeigt die Clusterung der Aromen, während der Loadings-Plot die Signale anzeigt, die für die Clusterung und Kategorisierung verantwortlich waren. In diesem Fall entsprechen die Messsignale den molekularen Massen der Aromastoffe.</p><figure xml:id="nadc20234138414-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/pGJiaGlRquxpjsF2OkvZ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Scores- und Ladungsplot nach Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis, PCA) der Geschmacksstoffe Amarena <a href="#1-AM">#1-AM</a>, Sauerkirsche <a href="#1-MO">#1-MO</a>, Süßkirsche <a href="#1-SW">#1-SW</a> und Wildkirsche <a href="#1-WI">#1-WI</a> ermittelt mit Havoc-MS-Analyse. Der Scores-Plot zeigt die Clusterung der Aromen, der Loadings-Plot die Signale, die für die Clusterung verantwortlich sind, hier die molekularen Massen der Aromastoffe.</figcaption></figure></figure><p>Wie die PCA-Clusterung des Sensorikpanels zeigt, haben die Panellisten zwei der vier Kirscharomen eindeutig unterschieden. Die Aromen Süßkirsche und Wildkirsche trennte das Sensorikpanel deutlich, während die Aromen Amarena und Morello sich in ihren jeweiligen Clustern überschneiden.</p><p>Die Havoc-Analyse lieferte ähnliche Ergebnisse. Auch hier liegen Süßkirsche und Wildkirsche weit auseinander, Amarena und Sauerkirsche eng beieinander. Die Massenspektrometrie als Datenquelle liefert eine Begründung für die ähnliche Beurteilung: Beide Aromamischungen enthalten die gleichen chemischen Inhaltsstoffe.</p><h2 type="main">Maschine vor Mensch</h2><p>Um die Trennfähigkeiten der beiden Analysenarten zu vergleichen, wurden die Varianzen der PCAs bewertet, und zwar ausgedrückt als prozentuale Werte auf den Achsenbeschriftungen der Scores Plots (Abbildung oben). Eine höhere Varianz bedeutet eine bessere Trennung. Die Gesamtvarianz (PC1 + PC2) des menschlichen sensorischen Panels beträgt 58,2 Prozent; dagegen liegt der entsprechende Wert für das Havoc-Sensorsystem bei 97,4 Prozent. Dies deutet darauf hin, dass die mit dem Havoc-Sensorsystem erzielten Ergebnisse im Hinblick auf die Trennfähigkeit zuverlässiger sind als die mit dem menschlichen Sensorikpanel.</p><p>Das Havoc Sensorsystem kann also die Ergebnisse eines menschlichen Sensorikpanels datengetrieben, objektiv und in Echtzeit unterstützen und möglicherweise die Genauigkeit und den Aussagegehalt des menschlichen Sensorikpanels sogar übertreffen.</p><h2 type="main">Die Autorin und der Autor</h2><p>Die Autoren sind Alina Jessl und Klaus Wutz. Jessl ist Marketing- und Projektmanagerin bei Plasmion in Augburg. Der promovierte Chemiker Klaus Wutz ist Projektmanager bei Plasmion. Nach einer postgradualen Ausbildung in Life Science Management suchte Klaus zunächst für Robert Bosch nach Biosensoren für Point-of-Care-Diagnostik und Lebensmittelkontrolle.</p>

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