Weiche Roboter – Lichtpulse lassen neues Gel-Material dehnen und schrumpfen

Osaka (Japan) - Nicht nur Wärme oder Strompulse lassen Werkstoffe dehnen und schrumpfen. Auch mit Licht können nun japanische Forscher sowohl Form als auch Umfang eines neuartigen Gels kontrollieren. Dieses Material könnte die Grundlage für künstliche Muskeln legen, die sich – eingebaut in Robotern oder Implantaten - allein durch Lichtpulse steuern lassen. Über ihre ersten Prototypen berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature Communications“.

„Supramolekulare Hydrogele sind wichtig, um „weiche Maschinen“ nach dem Vorbild biologischer Systeme entwickeln zu können“, sagt Akira Harada von der Universität Osaka. Für die dazu nötigen künstlichen Muskeln kombinierte er zusammen mit seinen Kollegen verschiedene lichtempfindliche Polymere, die chemische Gruppen aus Azobenzol und Ferrocen enthielten. So entstand ein milchig gelber Gel-Block mit einigen Zentimetern Umfang. Bestrahlt mit ultraviolettem Licht (Wellenlänge 365 Nanometer) dehnte sich dieser Block um etwa ein Viertel aus. Sichtbarem blauen Licht ausgesetzt zog sich das flexible Material fast wieder auf seinen ursprünglichen Umfang zusammen.

Diese Größenänderung hat das Potenzial, wie ein Muskel als mechanischer Antrieb zu wirken. Als Beweis konstruierten Harada und Kollegen eine kleine Spirale aus ihrem Lichtgel, die sich je nach Beleuchtung ausdehnte und wieder zusammenrollte. Verantwortlich für diese reversible Formänderung machen sie die Anordnung der speziellen chemischen Gruppen in dem weichen Material.

Bis aus solchen Werkstoffen nun nutzbare Muskeln für Roboter oder medizinische Implantate entstehen können, rechnen die Forscher noch mit einigen Jahren Entwicklungsarbeit. Doch das Team um Harada ist nicht das einzige, das aus lichtaktiven Substanzen künstliche Muskeln fertigen möchte. So gelang es vor zwei Jahren einer französischen Arbeitsgruppe, einen Kristall aus Bismutferrit mithilfe roten und weißen Lichts abwechselnd zu dehnen und zu schrumpfen. Allerdings nur um wenige Zehntel Millimeter. Dafür reagierte der Kristall innerhalb des Bruchteils einer Sekunde deutlich schneller als das japanische Lichtgel. Diese mechanische Verformung – Photostriktion genannt – könnte so besonders für den Bau von lichtkontrollierten Mikromotoren oder optomechanischen Schaltern genutzt werden.