Zwiebelhautzellen unter dem Mikroskop

Künstlicher Muskel aus Zwiebelhaut

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 von der Nationaluniversität 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.

Prototyp eines künstlichen Muskels
Prototyp eines künstlichen Muskels

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 fünfzig 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 tausend 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 Zwiebelhautmuskeln 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 zwanzig Mikronewton bei tausend 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 Zwiebelhautmuskeln zu erzielen.