Künstlicher Muskel aus Zwiebelhaut

Über elektrische Spannungen lässt sich die Kontraktion der Zwiebelzellen nach Wunsch steuern
Zwiebelhautzellen unter dem Mikroskop: Elektrische Spannungen können die Zellen auf Wunsch verformen
Zwiebelhautzellen unter dem Mikroskop: Elektrische Spannungen können die Zellen auf Wunsch verformen
© Chien-Chun Chen et al., National Taiwan University, APL
Taipei (Taiwan) - Unter elektrische Spannung gesetzt verändern zahlreiche Werkstoffe ihre Form und können für kompakte Stellmotoren genutzt werden. Nun entdeckte eine Forschergruppe aus Taiwan, dass auch biologische Zellen für solche künstlichen Muskeln geeignet sind. In der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ berichten sie über ein Modul aus Zwiebelhaut, das sich je nach angelegter Spannung in verschiedene Richtungen biegen konnte.

„Eine Struktur aus nur einer Zellschicht kann sich im Unterschied zu anderen künstlichen Muskeln in verschiedene Richtungen bewegen“, sagt Wen-Pin Shih vom Department of Mechanical Engineering der National Taiwan University in Taipei. Dazu schälte er mit seinen Kollegen die fast durchsichtige Haut unter der trockenen Zwiebelschale ab. In einem Säurebad wuschen sie die stabilisierende Zellulose rund um die Hautzellen der Zwiebel aus. Die zurückbleibende Zellschicht konservierten sie mit einem Gefriertrockner.

Auf diese Zellschicht dampften die Wissenschaftler beidseitig hauchdünne Goldschichten auf. Auf der Oberseite war diese elektrisch leitfähige Schicht nur 24 millionstel Millimeter, auf der Unterseite etwa doppelt so dick. Wurde nun eine elektrische Spannung von bis zu 50 Volt an diese Goldschichten angelegt, flachten die zuvor nach außen gewölbten Zellwände ab. Der gesamte künstliche Muskel wurde dadurch etwas länger und bog sich nach unten. Steigerten Shih und Kollegen die Spannung jedoch auf bis zu 1000 Volt, wölbten sich die Zellwände wegen der wirkenden elektrostatischen Kräfte stärker nach innen. Dadurch wurde der Muskel etwas kürzer und bog sich bis zu einen Millimeter nach oben.

Nach diesen Vorversuchen fertigten die Forscher aus zwei Zwiebelhaut-Muskeln eine kleine Pinzette. Mit dieser konnten sie eine kleine Fluse aus Baumwolle, die etwa ein Zehntel Milligramm wog, sicher greifen und festhalten. Die bei der Verformung des Muskels wirkende Kraft bestimmten sie auf etwa 20 Mikronewton bei 1000 Volt.

Im Vergleich zu künstlichen Muskeln beispielsweise aus piezoelektrischen Werkstoffen sind sowohl Bewegungen als auch wirkende Kräfte der Zwiebelhaut verschwindend gering. Von Vorteil ist allerdings die Möglichkeit, den Muskel bei unterschiedlichen Spannungen in verschiedene Richtungen beugen zu können. Shih und Kollegen sind sich bewusst, dass ihre Entwicklung noch weit von einer technischen Anwendung entfernt ist. Doch versuchen sie nun, mit deutlich geringeren Spannungen größere Bewegungen mit optimierten und eventuell mehrschichtigen Zwiebelhaut-Muskeln zu erzielen.

© Wissenschaft aktuell


 

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