Künstliche Muskeln aus dem 3D-Drucker bewegen Roboterbein

Ein Muskel aus Gummi und Servomotor

Die meisten Roboter bestehen aus starren Bauteilen und Getrieben. Weiche Aktoren, die sich mechanisch eher wie Muskeln verhalten, gibt es seit Jahren, doch viele brauchen Pumpen, Druckluftflaschen oder Hochspannung. Die Autoren der Studie nennen für elektrostatische Aktoren Betriebsspannungen von 1 bis 20 Kilovolt; pneumatische Systeme hängen oft an Kompressoren mit Netzstrom. Für ein Roboterbein, das frei herumlaufen soll, ist das unpraktisch.

Das Team der Northwestern University setzt deshalb auf einen gewöhnlichen Servomotor mit weniger als 10 Volt. Herzstück ist ein sogenannter „handed shearing auxetic“ (HSA): ein 3D-gedruckter Zylinder mit einer Gitterstruktur, die sich verlängert, wenn man sie verdreht. Truby und Erstautor Taekyoung Kim hatten diese Bauform bereits 2024 vorgestellt. Neu ist eine Hülle aus einem gefalteten Origami-Balg, die sich leicht dehnen, aber kaum verdrehen lässt. Sie sorgt dafür, dass die Drehung des Motors in eine geradlinige Streck- und Ziehbewegung umgesetzt wird. Bis auf den Servo sind alle Teile aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) gedruckt, einem Gummi, der auch für Handyhüllen verwendet wird. Die Materialkosten pro Aktor beziffern die Autoren auf 8,23 US-Dollar, den Motor nicht eingerechnet.

Was der Aktor leistet

Ein kompletter Aktor wiegt laut Studie 400 Gramm, etwa so viel wie ein Fußball, und ist etwas größer als eine Getränkedose. Er dehnt sich um bis zu 59 Millimeter, das entspricht rund 30 Prozent seiner Länge. Die maximale Druck- und Zugkraft liegt bei etwa 75 Newton. In Hebeversuchen drückte er eine Last von 5,65 Kilogramm nach oben und zog 6,78 Kilogramm, das 17-Fache seines Eigengewichts. Anders als ein biologischer Muskel kann er also auch schieben.

Im Dauertest zog der Aktor 10.000-mal ein Gewicht von 1,13 Kilogramm. Brüche an Zylinder, Balg oder Motoranbindung traten nicht auf, der maximale Hub veränderte sich aber um 10 Prozent. Die Autoren führen das auf Kriechen des Gummis zurück und nennen Änderungen an Geometrie und Fertigung als mögliche Abhilfe. Im Vergleich mit anderen weichen Kunstmuskeln, bei dem sie das Gewicht von Pumpen, Tanks oder Spannungsquellen mitrechnen, kommen die Forscher auf eine um vier Größenordnungen höhere Leistungs- und Energiedichte. Dabei handelt es sich um ihre eigene Gegenüberstellung. Pneumatische Muskeln erzeugen nach Angaben der Autoren größere Kräfte als ihr Aktor.

Ein Bein, das sich selbst spürt

Um die Muskeln im Verbund zu testen, baute das Team ein menschengroßes Bein. Oberschenkel- und Unterschenkelknochen sowie der Fuß sind aus starrem PLA-Kunststoff gedruckt, die drei „Sehnen“ aus elastischem TPU. Drei Aktoren übernehmen die Rolle von Quadrizeps, hinterem Oberschenkelmuskel und Wade und bewegen Knie- und Sprunggelenk. Sehnen und Muskeln dämpfen Stöße ähnlich wie im Körper. In einer Vorführung kickt das Bein einen Volleyball von einem Ständer.

Am Quadrizeps sitzt ein dehnbarer, gedruckter Sensor mit Kirigami-Schnittmuster. Dehnt sich der Muskel, ändert sich der elektrische Widerstand des Sensors, und das Bein kann messen, wie weit der Muskel gestreckt ist. Gemeint ist damit Eigenwahrnehmung der Bewegung, kein Tastsinn.

Für den Akkutest versorgte das Team das Bein mit einem 8200-mAh-Lithium-Polymer-Akku. In einer Stunde beugte und streckte es das Knie 3600-mal ohne mechanischen Schaden; der Akku fiel dabei von 99 auf 70 Prozent. Die Forscher schätzen daraus eine Laufzeit von rund drei Stunden pro Ladung, wobei die Leistung mit sinkender Ladung nachlässt.

„Indem wir neue Materialien für die Robotik entwickeln, die die Leistung und Eigenschaften biologischer Bewegungsapparate haben, können wir Roboter bauen, die widerstandsfähiger und robuster für den Einsatz in der realen Welt sind“, sagt Ryan Truby (Übersetzung). Kim ergänzt: „Damit sich künftige Roboter in unstrukturierten Umgebungen natürlicher und sicherer bewegen, müssen wir sie eher wie menschliche Körper gestalten – mit harten Skeletten und weichen, muskelähnlichen Aktoren“ (Übersetzung).

Die Studie

Die Arbeit „Architected Soft Actuators for Artificial Musculoskeletal Systems“ von Taekyoung Kim, Eliot A. Dunn, Melinda Chen und Ryan L. Truby erschien am 24. Juli 2025 online in der Fachzeitschrift Advanced Materials, im Heft 43 des Jahrgangs 37 dann am 29. Oktober 2025. Sie ist frei zugänglich. Gefördert wurde sie unter anderem vom Office of Naval Research der US-Marine. Truby leitet an der McCormick School of Engineering das Robotic Matter Lab. Das Bein ist ein Labordemonstrator; Gehversuche oder ein Einsatz in einem kompletten Roboter sind in der Studie nicht beschrieben.