Wissenschaftler der EPFL haben die Art und Weise, wie dünne Metalldrähte zu einem flexiblen Textil verwoben werden, neu überdacht und ein ultraleichtes Gewebe entwickelt, das mehr als das 400-fache seines Eigengewichts heben kann. Diese Arbeit ebnet den Weg für eine neue Generation von tragbaren Geräten, die körperliche Unterstützung bieten und gleichzeitig leicht und unauffällig sind.
Da die meisten tragbaren Robotersysteme auf starren Komponenten basieren, sind sie nicht sehr komfortabel und stossen auf eine geringe soziale Akzeptanz. Robotische Elemente, die bei Aktivierung Kräfte ausüben können, können eine unauffällige mechanische Unterstützung für menschliche Muskeln bieten, aber es ist für diese Aktoren immer noch äusserst schwierig, ausreichende Kraft und Bewegungsumfang zu erreichen und gleichzeitig flexibel genug zu bleiben, um in Kleidung integriert zu werden.
Forscherinnen und Forscher des Laboratoriums für flexible Mikrosysteme (LMTS) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL haben sich genau dieser Herausforderung gestellt. Sie entwickelten textile Aktuatoren aus Fasern einer Formgedächtnislegierung (FGL), die in einem periodischen X-Muster, der sogenannten X-Crossing-Geometrie, verflochten sind. Eine 4,5 Gramm schwere Stoffprobe mit diesen Fasern kann eine Last von 1 Kilogramm heben, wenn sie zu 50% zusammengezogen wird. Die Arbeit, die von Huapeng Zhang und dem Leiter des LMTS, Herbert Shea, durchgeführt wurde, wurde in Science Advances veröffentlicht.
Festigkeit und Flexibilität durch Zusammenarbeit der Fasern
Die Funktionsweise beruht darauf, wie sich die dünnen MFA-Fäden, die aus einer Nickel-Titan-Legierung bestehen, verkürzen und versteifen, wenn sie durch elektrischen Strom erhitzt werden. Obwohl diese Fasern sehr leistungsfähig sind, war ihre Wirksamkeit in Textilien lange Zeit durch die Art und Weise, wie sie verflochten wurden, eingeschränkt. In herkömmlichen Maschen oder Knoten winden sich die Fasern in verschiedene Richtungen; wenn sie sich zusammenziehen, wirken die von ihnen erzeugten Kräfte oft teilweise gegeneinander und heben sich teilweise auf.
Um diese Grenze zu überwinden, hat das Team der EPFL die X-Crossing-Architektur entworfen. Bei diesem Design ist jede Faserüberkreuzung genau in die Richtung der gewünschten Bewegung ausgerichtet. Anstatt sich gegenseitig zu bekämpfen, kooperieren die Fasern auf fliessende Weise. Diese Ausrichtung maximiert nicht nur die erzeugte Kraft, sondern ermöglicht es dem Stoff, sich um bis zu 160% seiner ursprünglichen Länge zu dehnen, wodurch die Kleidung geschmeidig und leicht anzuziehen ist.
"Wir haben erkannt, dass die Ausrichtung der Faserkreuzungen eine entscheidende Rolle dabei spielt, wie sich die Kräfte in einem Textilaktuator addieren", erklärt Huapeng Zhang, Doktorand am LMTS und Erstautor der Studie. "Indem wir diese Kreuzungen ausrichten, sorgen wir dafür, dass sich die an jedem Schnittpunkt erzeugten Kräfte konstruktiv addieren, anstatt sich gegenseitig aufzuheben, was zu einer deutlich besseren Leistung als bei bisherigen gestrickten oder geknüpften Textilien führt."
Tragbare Unterstützung und Kompression
Um das Potenzial der X-Crossing-Aktoren zu demonstrieren, baute das Team sie in zwei funktionierende tragbare Prototypen ein. Im ersten Fall wurde das Textil auf den Arm einer Puppe montiert, um einen Ärmel zur Unterstützung der Ellenbogenbeugung zu veranschaulichen. Der Aktuator hob eine 1 kg schwere Tasche, die in der Hand der Puppe gehalten wurde, über eine Amplitude von 30° flüssig und kontrolliert an. In einer zweiten Demonstration wurden die Aktuatoren erfolgreich eingesetzt, um direkt am Körper eine Kompression zu erzeugen, eine wichtige Funktion für medizinische Sleeves oder Sportgeräte.
Während Textilien lange Zeit auf eine passive Rolle beschränkt waren, ebnet die Entwicklung hin zu Stoffen, die als leistungsfähige Aktuatoren fungieren können, den Weg für eine neue Klasse tragbarer Roboter: bequem, unauffällig und praktisch, die alltägliche Handlungen unterstützen können
Herbert Shea, Leiter des LMTS-Labors
Neben dieser neuen Architektur haben die Wissenschaftler auch ein mechanisches Modell entwickelt, das die Veränderung der Steifigkeit der MFA-Fasern in Abhängigkeit von Temperatur und Belastung beschreibt. Im Gegensatz zu früheren vereinfachten Ansätzen berücksichtigt dieses Modell die räumlichen Steifigkeitsänderungen innerhalb jeder Faser bei Phasenübergängen und ermöglicht so eine genaue Vorhersage der Kraft und Kontraktion, die von einem Aktuator je nach Belastung, Temperatur und Textilgeometrie erzeugt wird.
Herbert Shea betont, dass ein entscheidender Vorteil des X-Crossing-Designs in seiner Effizienz liegt, die es ihm ermöglicht, den Kompressionsdruck ohne Energieverbrauch aufrechtzuerhalten.
"Während Textilien lange Zeit auf eine passive Rolle beschränkt waren, ebnet die Entwicklung hin zu Stoffen, die als leistungsstarke Aktuatoren fungieren können, den Weg für eine neue Klasse tragbarer Roboter: bequem, unauffällig und praktisch, die alltägliche Handlungen unterstützen können", schliesst er.
ReferenzenH. Zhang, H. Shea, "Mechanics-Informed Fabric Actuators with Aligned Fiber Crossings" Sci. Adv. (2026). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb6760
Der Aktuator am Arm einer Puppe ermöglicht es ihr, einen 1 kg schweren Sack zu heben. 2026 LMTS CC BY SA
Gewebearchitekturen und ihre Richtungen, in denen sich die Fasern kreuzen. 2026 LMTS EPFL CC BY SA
Ein 4,5 g schwerer AMF X-Crossing-Aktuator hebt 1 kg mit einer Kontraktion von 50%. 2026 LMTS CC BY SA
