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Samstag, 10.12.2016
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Intelligente Drähte als künstliche Muskeln

Forscher entwickeln Drähte, die ohne Sensoren komplexe Abläufe präzise steuern können

Intelligente Drähte lassen die Muskeln spielen: Neuartige Nickel-Titan-Drähte ziehen sich zusammen und kehren dann wieder in ihre Ausgangsform zurück. So können sie technische Bauteile präzise bewegen und schwere Lasten hieven. Der Clou: Sie funktionieren ganz ohne Sensoren können aber dennoch auf Störungen reagieren. Das ermöglicht ihre Anwendung in der Medizin oder in Tiermodellen. Eine künstliche Fledermaus mit den Drähten als Flug-Muskulatur fliegt bereits durch das North Carolina Museum of Natural Sciences in Raleigh.
Hauchfein sind die Drähte, die die Fledermaus fliegen lassen.

Hauchfein sind die Drähte, die die Fledermaus fliegen lassen.

Die Muskeln des Menschen reagieren auf Nervenimpulse, indem sie sich zusammenziehen. Dabei werden sie kürzer. Wenn sie sich wieder entspannen, gehen sie in ihre ursprüngliche Form zurück. Durch dieses Zusammenspiel von Nervensystem und An- und Entspannung der Muskulatur kann der Mensch alle nur erdenklichen Bewegungen vollführen.

Strom steuert Drähte


Auch die „intelligenten“ Drähte, an denen die Teams um Stefan Seelecke und Joachim Rudolph von der Universität des Saarlandes forschen funktionieren nach ähnlichem Prinzip. Die Forscher nutzen dabei die besonderen Eigenschaften von Drähten aus der Legierung Nickel-Titan (kurz NiTi). Diese Drähte haben die „Gabe“ sich nach einer Veränderung an ihre alte Form zu erinnern. Sie besitzen – so nennen es die Wissenschaftler – ein Formgedächtnis: Werden die Drähte erwärmt, etwa indem ein elektrischer Strom durch sie fließt, ziehen sie sich zusammen und werden deutlich kürzer. Wird der Strom abgeschaltet, kühlen sie ab und werden wieder so lang wie zuvor. Diese Eigenschaften der NiTi-Legierung unterscheidet sie von gewöhnlichen Werkstoffen dieser Art. Sie beruhen auf so genannten Phasenumwandlungen: Wird der Draht warm, wandelt sich seine Gitterstruktur um, was Auswirkungen auf seine Form hat.

Mithilfe einer ausgeklügelten Steuerung lassen sich im Zusammenspiel mehrerer Drähte ganze Bewegungsabläufe nach festgelegter Choreographie ausführen. Die Forscher demonstrieren dies an Modellfledermäusen, denen sie Drähte als künstliche Muskeln verliehen haben. Sie sollen so die echten Flügelbewegungen der Tiere exakt nachahmen - ein Projekt, an dem Seelecke und sein Team für das North Carolina Museum of Natural Sciences gearbeitet haben. Dort kann nun der Flügelschlag der Fledermäuse dank der Drähte naturgetreu beobachtet werden.


Wirkstoff kommt genau ans Ziel


Die neue Technologie kommt auch in der Medizin zum Einsatz. So bauten die Wissenschaftler einen Inhalator, der Wirkstoffe zielgenau an ihren Wirkort in der Lunge bringt. Forschungen haben ergeben, dass Wirkstoffteilchen an bestimmten Stellen der Lunge landen, je nachdem wo genau sie aus dem Mundstück des Inhalators eingeatmet werden. Mit den intelligenten Drähten kann ein Röhrchen im Mundstück nun genau in Position gebracht werden, so dass dieses „Wirkstoff-Geschütz“ seine Ladung gezielt in die Lunge „schießen“ kann.

Nun gehen die Forscher daran die exakte Steuerung der Bauelemente zu optimieren. Während beim Menschen Befehle, wie etwa den Arm zu strecken oder zu beugen, vom Gehirn über Nervenimpulse an die Muskeln weitergegeben werden, geschieht dies bei den Drähten über einen Mikro-Controller. Das ist ein kleiner Halbleiterchip, auf dem alles für die Regelung Erforderliche enthalten ist. Das System soll ganz ohne Sensoren auskommen, weshalb die Forscher die Abläufe vorab modellieren. Das heißt, sie erfassen die für die Prozesse wesentlichen physikalischen Gegebenheiten und übersetzen sie in mathematische Gleichungen. Ziel ist es, Störungen wie einen kalten Luftzug oder andere äußere Einwirkungen zu erfassen und ihnen sofort entgegenzuwirken. Denn die Drähte funktionieren nur, wenn sie die richtige Temperatur haben.
(Universität des Saarlandes, 26.03.2013 - KBE)
 
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