Popeye machte Spinat als muskelaufbauendes Gemüse berühmt. Aber eines Tages kann Gemüse Sie stärker machen, ohne gegessen zu werden - wenn Wissenschaftler damit eine neue Klasse künstlicher Muskeln aufbauen. Diese Woche stellte ein Team in Taiwan vergoldete Zwiebelzellen vor, die wie echtes Muskelgewebe vielversprechend darin sind, sich in verschiedene Richtungen zu dehnen, zusammenzuziehen und zu beugen.
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Künstliche Muskeln haben eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten, von der Unterstützung verletzter Menschen bis hin zum Antrieb von Robotern, und es gibt viele Möglichkeiten, sie aufzubauen. Im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler beispielsweise eine Reihe künstlicher Muskeln aus einfachen Angelschnüren entwickelt, die 100-mal mehr heben können als menschliche Muskeln gleicher Größe und gleichen Gewichts. Es gibt jedoch noch keinen eindeutig überlegenen Weg, um einen falschen Muskel aufzubauen.
„Es gibt künstliche Muskeln, die unter Verwendung von Elastomeren, Formgedächtnislegierungen, piezoelektrischen Verbundwerkstoffen, ionenleitenden Polymeren und Kohlenstoffnanoröhren entwickelt wurden“, sagt Wen-Pin Shih von der National Taiwan University in Taipeh. „Die Antriebsmechanismen und -funktionen sind sehr unterschiedlich.“ Einige künstliche Muskeltypen werden durch Druck angetrieben, beispielsweise in pneumatischen Systemen, während andere durch Temperaturänderungen oder elektrischen Strom Bewegung erzeugen.
Eine große Herausforderung für künstliche Muskelhersteller bestand darin, ihre Materialien so zu konstruieren, dass sie sich gleichzeitig biegen und zusammenziehen, so wie es echte Muskeln tun. Wenn jemand zum Beispiel die klassische Muskelpose spielt, zieht sich sein Bizeps zusammen, beugt sich aber auch nach oben, um den Unterarm zu heben. Shih und Kollegen versuchten, einen künstlichen Muskel zu konstruieren, der sich auf diese Weise gleichzeitig verbiegen und zusammenziehen konnte, und sie stellten fest, dass die Struktur und die Abmessungen der Zwiebelschale der Mikrostruktur, die sie vorhatten, sehr ähnlich waren.
Um das scharfe Gemüse auf die Probe zu stellen, nahm Shih's Gruppe zuerst eine einzelne Schicht von Epidermiszellen von einer frischen, geschälten Zwiebel und wusch sie mit Wasser sauber. Dann gefriergetrocknete das Team die Zwiebel, um das Wasser zu entfernen, während die Zellwände intakt blieben. Durch diesen Vorgang wurde die Mikrostruktur starr und spröde, sodass die Zwiebel mit Säure behandelt wurde, um ein zellsteifes Protein namens Hemicellulose zu entfernen und die Elastizität wiederherzustellen.
Die Zwiebelschichten bewegten sich wie Muskeln, indem sie in einen elektrostatischen Aktuator verwandelt wurden. Dies bedeutete, sie mit Goldelektroden zu beschichten, die Strom leiten. Das Gold wurde in zwei Dicken aufgetragen - 24 Nanometer oben und 50 Nanometer unten -, um unterschiedliche Biegesteifigkeiten zu erzielen und die Zellen in naturgetreuer Weise zu biegen und zu dehnen. Dies passte gut zu der natürlichen Neigung der Zwiebelschale, sich in verschiedene Richtungen zu biegen, wenn sie aufgrund elektrostatischer Anziehung unterschiedlichen Spannungen ausgesetzt wird.
Das Team stellte muskelartige "Pinzetten" aus Zwiebelschalen her. (Shih Lab, National Taiwan University) Niedrigere Spannungen von 0 bis 50 Volt führten dazu, dass sich die Zellen aus ihrer ursprünglichen gekrümmten Struktur ausdehnten und abflachten, während höhere Spannungen von 50 bis 1000 Volt dazu führten, dass sich der vegetarische Muskel zusammenzog und nach oben bog. Durch die Steuerung dieser Spannungen zur Variation der Muskelbewegungen wurden zwei der Zwiebelanordnungen als Pinzette verwendet, um einen kleinen Wattebausch zu greifen, berichten Shih und Kollegen diese Woche in Applied Physics Letters .
Dieser Erfolg erforderte jedoch eine relativ hohe Spannung, was Shih als den Hauptnachteil des Konzepts bezeichnet. Niedrigere Spannungen sind erforderlich, um den Muskel mit winzigen Batterien oder Mikroprozessorkomponenten zu steuern, die sich besser für die Versorgung von Implantaten oder Roboterteilen eignen. „Wir müssen die Konfiguration und die mechanischen Eigenschaften der Zellwände besser verstehen, um diese Herausforderung zu meistern“, stellt er fest.
Die Zwiebelzellen bieten einige Vorteile gegenüber früheren Versuchen, lebende Muskelzellen zu verwenden, um künstliches Gewebe zu erzeugen, sagt Shih. „Die Kultivierung von Zellen zur Bildung eines Muskelgewebes zur Erzeugung von Zugkraft ist immer noch eine große Herausforderung“, sagt Shih. „Die Leute haben schon früher versucht, lebende Muskeln zu benutzen. Aber dann wird es ein Problem, wie man die Muskelzellen am Leben erhält. Wir verwenden pflanzliche Zellen, weil die Zellwände für Muskelkraft sorgen, unabhängig davon, ob die Zellen noch leben oder nicht. “
Die Haltbarkeit ist jedoch ein Problem: Die Vergoldung schützte die Zwiebelmuskeln, aber Feuchtigkeit kann immer noch in die Zellwände eindringen und die Materialeigenschaften verändern. Shih hat eine Idee, dieses Problem anzugehen, das bald auf die Probe gestellt werden könnte. "Wir könnten den künstlichen Zwiebelmuskel mit einer sehr dünnen Fluoridschicht überziehen", sagt er. "Dadurch wird der künstliche Muskel feuchtigkeitsundurchlässig, die Weichheit des Geräts wird jedoch nicht verändert."
