Optimierung eines künstlichen Muskels auf Silikon-Basis

 

Chemie | Biochemie | Medizin

 

Flurina Zahn, 1999 | Blauen, BL

 

Ein Team der Columbia University entwarf für die Forschungsarbeit «soft material for soft actuators» einen künstlichen Muskel aus Silikon, Ethanol und einem Nickel-Chrom-Draht.
Meine Maturarbeit befasste sich mit der Optimierung dieses Muskels. Als Alternativen für das Lösungsmittel wurden Methanol und Pentan getestet. Der Draht wurde mit einem Kanthal – und einem Clapton-Draht ersetzt.
Anhand einer selbst entwickelten Messmethode konnte festgestellt werden, dass sich Methanol in Kombination mit dem Clapton-Draht am besten dazu eignet dem Muskel die grösste Volumenvergrösserung pro Zeit zu ermöglichen. Der optimierte Muskel erreichte eine 19.1-fache Verbesserung zum Standard-Muskel.
Dieser Muskel wurde verwendet, um 3D-gedruckten Skeletten Antrieb zu verleihen. Um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten müssten zwei der drei «Roboter» weiterentwickelt werden.
Des Weiteren wurde ein Versuch zur Abnutzung der Muskel durchgeführt. Für eine aussagekräftige Analyse bedürfte es weiterer Versuche.

Fragestellung

In meiner Maturarbeit ging es darum, den Standard-Muskel so zu optimieren, dass er die „in unserem Rahmen möglichst hohe Leistungsfähigkeit beziehungsweise Schnelligkeit“ erlangte. Die Fragestellung wurde aus einer chemischen und einer physikalischen Sichtweise untersucht. Zusätzlich wurde untersucht, wie sehr sich der Muskel beim Gebrauch abnutzt, wie die Haltbarkeit verlängert werden kann und wie der Muskel in ein Skelett integrieren werden kann.

Methodik

Die Funktionsweise des Muskels ist recht simpel. Wird der Draht erwärmt, verdampft das Lösungsmittel, das im Silikon eingearbeitet ist – der Muskel expandiert. Kühlt es ab, kehrt es in den flüssigen Aggregatzustand zurück – der Muskel kontrahiert.
Der Muskel wurde mit Ethanol, Methanol und Pentan und einem Nickel-Chrom-, einem Kanthal- und einem Clapton-Draht hergestellt. Der Vergleich wurde anhand der Wasserverdrängung bei der Expansion in einem Rundkolben angestellt. Über den Höhenunterschied des Wasserstands konnte die Volumenzunahme des Muskels berechnet werden. Es wurde die Zeit gestoppt, die der Muskel bis zur vollständigen Ausdehnung benötigt. Zur Fehlerminimierung wurden pro Typ drei Muskeln gemessen.
Für die Haltbarkeitsversuche wurden die Muskeln mit den verschiedenen Lösungsmitteln nach einer, zwei, drei und acht Wochen nach der Herstellung gemessen.
Mit dem Programm Cinema 4D wurden Modelle für die Roboter erstellt und mit einem 3D-Drucker gedruckt. Als Antrieb diente der optimierte Muskel, der an ein Netzgerät mit 6V und 2A angeschlossen wurde.

Ergebnisse

Bei den Lösungsmitteln erzielte Methanol die besten Resultate, bei den Drähten der Clapton-Draht. Während der Standard-Muskel eine durchschnittliche Volumenzunahme pro Zeit von 0.54mm^3/s erzielte, schnitt der optimierte Muskel mit 10.35mm^3/s ab.
Die Fähigkeit des Muskels zu expandieren nimmt nach dem ersten Gebrauch stark ab. Nach der ersten Messung liessen sich nur noch Unterschiede im Bereich von 0,1 – 0,5 mm^3/s messen.
Der «Greif-Roboter» besass die Fähigkeit einen Styroporball bei der Expansion zu greifen und festzuhalten und bei der Kontraktion loszulassen.

Diskussion

Die Lösungsmittel wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte ausgewählt. Dass der Pentan-Muskel sich trotz des tiefsten Siedepunkts kaum ausdehnte, könnte daran liegen, dass das Pentan bereits während des Mischprozesses verdampft ist.
Ein Clapton-Draht ist ein Kanthal-Draht, der um einen dickeren Kanthal-Draht gewickelt wird. Das vergrössert die Oberfläche des Drahts, weswegen die Wärme schneller und besser geleitet wird.
Die Haltbarkeitsversuche lieferten keine aussagekräftigen Resultate. Es wäre interessant, die Versuche der «Wasserbad»-Methode so durchzuführen, dass die Expansion des Muskels nach einer festgelegten Zeit gestoppt wird. Dadurch würde ein klarerer Vergleich entstehen.
Die Roboter benötigen definitiv weitere Entwicklungsschritte. Die Herstellung der Skelette war allerdings sehr aufwändig, wieso auf eine weitere Entwicklung der Roboter verzichtet wurde.

Schlussfolgerungen

Das Ziel den Muskel zu optimieren wurde klar erreicht. Die Hypothese, dass Pentan die besten Ergebnisse erzielt, hat sich nicht bewahrheitet. Der Clapton-Draht bewies sich tatsächlich als beste Alternative.
Als weiterführende Versuche käme es in Frage mit dem Design des Muskels zu spielen. Was könnte ein grösserer Muskel erreichen, was ein Muskel der in seiner Form einem echten Muskel ähnelt?
Ein Temperaturprofil des Elastomers anzulegen würde zudem Aufschluss über den optimalen Aufbau des Muskels bieten. Vielleicht könnte man mehrere Drähte oder ein wärmeleitendes Material einbauen.

 

 

Würdigung durch den Experten

Dr. Maurizio Gullo

Softrobotik ist ein aufkommendes Forschungsgebiet mit zahlreichen Anwendungen. Dass die Leistungsfähigkeit der Softrobotik «Muskeln» jedoch noch einen Optimierungsbedarf hat, ist von Flurina Zahn richtig erkannt worden. Ihr Projekt zur Herstellung von künstlichen Muskeln ist eine brillante Reaktion auf die Problematik. Sie hat nicht nur die Fragenstellung mit grossem Einsatz und Begeisterung angepackt, sondern auch ihren Lösungsansatz mit viel Ausdauer an mehreren Prototypen erprobt. Die Arbeit überzeugt durch ihre Relevanz, Interdisziplinarität und nicht zuletzt durch grossen Enthusiasmus.

Prädikat:

sehr gut

 

 

 

Gymnasium Laufental-Thierstein
Lehrer: Dr. Peter Sandmeier