Durchbruch in der Robotik: ETH Zürich entwickelt leistungsstarke Bioaktuatoren

Ausgangslage

Die Entwicklung von Robotern mit lebenden Muskeln hat bisher an der begrenzten Verformbarkeit des Muskelgewebes gelitten. Wissenschaftler der ETH Zürich haben Muskelantriebe erschaffen, welche sich so stark verformen können, dass sie winzige Roboter zum Springen, Schwimmen, Laufen und Greifen befähigen.

Die bisherigen biohybriden Roboter hatten oft nur eine kaum sichtbare Verformung, da das Muskelgewebe nicht ausreichend stark kontrahieren konnte. Die ETH Zürich-Forschenden haben bewiesen, dass nicht nur die Masse des Muskelgewebes wichtig ist, sondern hauptsächlich, wie Muskel und künstliche Struktur interagieren.

Technologie

Die neuen Bioaktuatoren kombinieren gezüchtetes Skelettmuskelgewebe von Mäusen mit einem weichen Hydrogel-Gerüst. Ein Algorithmus berechnete die optimale Anordnung von Muskelgewebe und Gerüst, um maximale Bewegungen zu erzielen. Die Gerüste wurden mittels 3D-Druck hergestellt, wobei eine Technik namens Xolographie zum Einsatz kam.

Die Gerüste entstanden durch eine Methode namens Xolographie, bei der Licht zum 3D-Druck verwendet wurde. Jedes Gerüst benötigte dafür rund eine Minute. Die Kombination von Computersimulation und experimenteller Überprüfung hat den Entwicklungsprozess erheblich beschleunigt und verbessert.

Ergebnisse

Die entwickelten Bioaktuatoren erreichen einen bis zu elfmal grösseren Bewegungsumfang als frühere Systeme. Die Roboter können springen, schwimmen, gehen und greifen. Durch eine einzelne Zusammenziehung löst sich der Aktuator ungefähr fünf Millimeter vom Schalenboden, dies entspricht einem Drittel seiner Körperlänge.

Die entwickelten Bioaktuatoren erreichen einen bis zu elfmal grösseren Bewegungsumfang als frühere Systeme. Die neu entwickelten Bioaktuatoren sind in der Lage, zu springen, zu schwimmen, sich über den Boden fortzubewegen und Gegenstände zu greifen.

Herausforderungen

Die biohybriden Roboter sind derzeit noch auf eine Nährflüssigkeit angewiesen, um das Muskelgewebe am Leben zu erhalten. Eine langfristige Nutzung erfordert eine künstliche Blutversorgung, um Sauerstoff und Nährstoffe ins Gewebe zu bringen. Zudem besteht die Herausforderung, die natürliche Variabilität des lebenden Gewebes zu kontrollieren.

Die natürliche Variabilität von lebendem Gewebe ist eine weitere Herausforderung. Die Forschenden arbeiten daran, diese Variabilität besser zu verstehen und zu kontrollieren, um die Leistung der Roboter zu verbessern.

Einordnung für die Schweiz

Die Forschung an biohybriden Robotern ist ein wichtiger Beitrag zur internationalen Spitzenforschung. Die ETH Zürich zeigt, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit in den Bereichen Zellbiologie, Materialwissenschaft, Robotik und computergestütztem Design innovative Lösungen ermöglicht.

Die Arbeit zeigt zugleich, wie eng dafür verschiedene Forschungsgebiete zusammenarbeiten müssen.

Bedeutung für KMU

Besonders in Bereichen, in denen flexible und anpassungsfähige Roboter benötigt werden, könnten biohybride Systeme Vorteile bieten.

Ausblick

Die Forschenden betonen, dass die Entwicklung von Robotern mit natürlichen Eigenschaften erst am Anfang steht. In Zukunft könnten robotische Systeme stärker auf lebende Organismen setzen, um Bewegungen natürlicher zu gestalten.

Für Katzschmann zeigt die Studie vor allem, welches Potenzial im Zusammenspiel von lebendem Gewebe und weichen künstlichen Strukturen steckt.

Einordnung

Die Entwicklung von biohybriden Robotern ist ein spannendes Feld, das die Grenzen zwischen Biologie und Technik verwischt. Die Forschung der ETH Zürich zeigt, wie wichtig interdisziplinäre Ansätze für den Fortschritt in diesem Bereich sind.

Was das für KMU bedeutet

Für Schweizer KMU könnte diese Technologie langfristig neue Möglichkeiten in der Automatisierung und Robotik eröffnen. Besonders in Bereichen, in denen flexible und anpassungsfähige Roboter benötigt werden, könnten biohybride Systeme Vorteile bieten.