Stellen wir uns eine Zukunft vor, in der eine Prothese nicht mehr als technisches Ersatzteil wahrgenommen wird, sondern als Teil des eigenen Körpers. Eine künstliche Hand könnte weich und präzise greifen, ein künstlicher Arm könnte flüssige Bewegungen ausführen, und ein Exoskelett könnte Menschen mit einer Lähmung helfen, Arme oder Beine wieder zu bewegen. Solche Technologien werfen auch grundlegende Fragen auf: Wodurch empfinden wir eine Bewegung als natürlich? Wo endet der biologische Körper, und wo beginnt seine technische Erweiterung? Und wie verändert sich unser Verständnis vom Menschen, wenn verlorene Körperfunktionen neu gestaltet werden können?

Der menschliche Bewegungsapparat besteht aus Skelett, Muskeln, Sehnen und Gelenken. Das Skelett bildet die stabile Struktur des Körpers. Knochen tragen Lasten, geben Form und schützen empfindliche Organe. Gelenke verbinden die Knochen miteinander und ermöglichen Bewegungen wie Beugen, Strecken oder Drehen. Muskeln erzeugen die dafür notwendige Kraft. Sie ziehen sich zusammen und übertragen diese Kraft über Sehnen auf die Knochen. Sehnen wirken dabei wie belastbare Verbindungselemente zwischen weichem Muskelgewebe und harter Knochenstruktur.

Dieses biologische System ist stark und zugleich nachgiebig. Muskeln und Sehnen können Energie speichern, Stöße abfedern und sich an wechselnde Belastungen anpassen. Eine Armbewegung entsteht nicht durch einen einzelnen starren Antrieb, sondern durch viele Muskeln, die fein abgestimmt zusammenarbeiten. Dadurch sind menschliche Bewegungen flüssig, flexibel und sicher im Kontakt mit der Umgebung. Wenn wir etwas Zerbrechliches greifen, dosieren wir die Kraft. Wenn wir auf Widerstand treffen, kann der Körper nachgeben.

Traditionelle Roboter sind meist anders aufgebaut. Sie bestehen häufig aus starren Segmenten, Gelenken, Elektromotoren, Getrieben und Lagern. Ein Motor erzeugt eine Drehbewegung, ein Getriebe übersetzt diese Bewegung, und ein Gelenk bewegt ein starres Bauteil. Dieses Prinzip ist in der Industrie sehr erfolgreich. Roboter können so schnell, präzise und mit hoher Wiederholgenauigkeit arbeiten. Für körpernahe Anwendungen hat diese Bauweise jedoch Nachteile. Starre Antriebe sind oft schwer, mechanisch komplex und können bei direktem Kontakt mit Menschen unangenehm oder unsicher wirken.

Das Ausstellungsstück greift diesen Unterschied auf. Es besteht aus einem 3D-gedruckten Skelettarm, der mit einem HASEL-künstlichen Muskel bewegt oder deformiert wird. HASEL steht für „Hydraulically Amplified Self-Healing Electrostatic“, zu Deutsch etwa: hydraulisch verstärkt, selbstheilend, elektrostatisch. Der gedruckte Arm bildet eine vereinfachte Knochenstruktur. Der künstliche Muskel übernimmt die Rolle eines aktiven, weichen Antriebselements. So wird sichtbar, wie ein technisches System aussehen kann, das sich stärker am menschlichen Bewegungsapparat orientiert, statt ausschließlich an klassischen Robotern.

HASEL-Aktuatoren sind weiche künstliche Muskeln, die elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandeln. Ihr Grundaufbau besteht aus einer dünnen, flexiblen Hülle, die mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit gefüllt ist. Auf der Außenseite befinden sich flexible Elektroden. Wird eine elektrische Spannung angelegt, ziehen sich die Elektroden durch elektrostatische Kräfte an. Dadurch wird die Flüssigkeit im Inneren verdrängt, und der Aktuator verändert seine Form.

Diese Formänderung kann je nach Design unterschiedlich genutzt werden. Ein HASEL-Aktuator kann sich zusammenziehen, ausdehnen, biegen oder eine Zugkraft erzeugen. Die Flüssigkeit im Inneren wirkt dabei als hydraulisches Medium. Sie verteilt und verstärkt die lokale elektrostatische Kraft, sodass eine größere Bewegung des gesamten Aktuators entsteht. Aus einem elektrischen Signal wird dadurch eine kontrollierbare mechanische Verformung. Der Begriff „self-healing“ beschreibt, dass HASEL-Aktuatoren unter bestimmten Bedingungen bei elektrischem Versagen Schäden selbst beheben und weiterarbeiten können, was ihre Robustheit gegenüber einzelnen lokalen Materialdefekten erhöht.

Für lebensechte Designs ist besonders wichtig, dass HASEL-Aktuatoren weich, leicht und formbar sind. Sie müssen nicht wie ein klassischer Elektromotor als hartes Bauteil in ein Gelenk eingebaut werden. Vielmehr können sie als muskelähnliche Elemente entlang einer Struktur platziert werden. Dadurch werden Konstruktionen möglich, die stärker an biologischen Gliedmaßen orientiert sind. Der Antrieb kann näher an der Stelle wirken, an der Bewegung gebraucht wird. Durch seine Nachgiebigkeit kann das System sicherer mit Menschen und Umgebung interagieren.

Langfristig soll diese Forschung dazu beitragen, Prothesen und Exoskelette natürlicher, leichter und leistungsfähiger zu machen. Dafür müssen viele technische Fragen gelöst werden: Welche Folienmaterialien sind geeignet? Welche Flüssigkeiten bieten gute elektrische und mechanische Eigenschaften? Wie müssen Elektroden geformt sein, damit die gewünschte Bewegung entsteht? Wie kann der Aktuator sicher angesteuert werden? Wie lange hält er unter wiederholter Belastung? Wie lassen sich Kraft, Geschwindigkeit und Position zuverlässig messen und regeln?

Eine zukünftige Prothese könnte künstliche Muskeln nutzen, um Bewegungen weicher und organischer auszuführen als heutige motorisierte Systeme. Ein zukünftiges Exoskelett könnte gelähmte oder geschwächte Gliedmaßen unterstützen, ohne wie eine schwere äußere Maschine zu wirken. Stattdessen könnte es sich eher wie eine zusätzliche aktive Muskelschicht verhalten. Das Ziel ist nicht nur technisch mögliche, sondern auch funktionale und alltagstaugliche Bewegung. Menschen sollen greifen, gehen, stehen oder sich stabilisieren können, ohne permanent über die Technik nachdenken zu müssen. Im Kontext des Posthumanen zeigt das Projekt, dass der menschliche Körper zunehmend technisch erweitert, unterstützt und rekonstruiert werden kann. Diese Entwicklung beginnt in konkreter Materialforschung, Aktuatorentwicklung und mechanischem Design.

Text von Philipp Rothemund
Philipp Rothemund ist Ingenieurwissenschaftler