Muskeln sind natürliche Aktuatoren, die über Millionen von Jahren die Umwandlung chemischer Energie in mechanische Arbeit perfektioniert haben. In diesem Erbe wächst heute ein ganzes Feld der biohybriden Robotik heran: Roboter, die von lebendem, im Labor gezüchtetem Gewebe angetrieben werden, verbunden mit künstlichen Skeletten und präzisen Mechanismen. Solche Systeme haben bereits gezeigt, dass sie kriechen, gehen, schwimmen oder Gegenstände greifen können, stoßen aber in der Praxis auf zwei hartnäckige Einschränkungen. Erstens sind die Bewegungsamplituden und die erzeugten Kräfte oft bescheiden im Vergleich zu den Anforderungen realer Aufgaben. Zweitens ist die Schnittstelle zwischen sehr weichem Muskelgewebe und viel steiferen Skelettteilen anfällig für mechanische Schäden und Ablösungen, was die Haltbarkeit und die Möglichkeit wiederholbarer Arbeit einschränkt. Genau dieses „mechanische Missverhältnis“ war die Inspiration für ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT), um eine bewährte Strategie aus der Biologie in die polytechnische Sprache einzuführen: das Einfügen künstlicher Sehnen zwischen Muskeln und Skeletten, um Kraft effizienter zu übertragen und die Baugruppe schneller, stärker und widerstandsfähiger zu machen.

Ein Team unter der Leitung der Assistenzprofessorin am Department of Mechanical Engineering, Ritu Raman, entwickelte künstliche Sehnen aus zähen, haftenden Hydrogelen und verband sie mit einem Stück im Labor gezüchteten Muskelgewebes zu einer einzigartigen Muskel-Sehnen-Einheit. Die Enden der künstlichen Sehnen sind an den Fingern eines kleinen Robotergreifers befestigt, während der zentrale Muskel als Antrieb dient. Wenn der Muskel zur Kontraktion angeregt wird, „ziehen“ die Sehnen die Finger nach innen und wandeln die mikroskopische Verkürzung des Muskels in einen makroskopischen, funktionalen Griff um. Wer mit Aktuatoren arbeitet, kennt den Kompromiss zwischen Hub und Kraft – hier verschiebt sich dieser Kompromiss überraschend günstig: Im Vergleich zum gleichen Greifer, bei dem der Muskel direkt am Skelett befestigt ist, ohne Sehnen, ist das Schließen etwa dreimal schneller und die erzielte Kraft etwa dreißigmal größer. Dabei zeigte das System auch ein etwa elfmal besseres Leistungsgewicht im Vergleich zu früheren Prototypen, die ohne Sehnen vom Muskel angetrieben wurden, und arbeitete stabil über mehr als 7.000 Zyklen ohne Funktionsverlust – eine Zahl, die bereits in den Bereich der praktischen Anwendung vordringt.

Warum die Sehne das Spiel verändert

In der natürlichen Biomechanik sind Sehnen nicht nur „Seile“, die Muskel und Knochen verbinden. Sie sind sorgfältig abgestimmte elastische Elemente, die in Bezug auf Steifigkeit zwischen weich und hart liegen, Spannungsspitzen an der Schnittstelle reduzieren, den Hub vergrößern, elastische Energie speichern und zurückgeben sowie eine präzisere, weniger verschwenderische Umwandlung von Kontraktion in Arbeit ermöglichen. Im Gegensatz dazu wurde bei den meisten früheren biohybriden Robotern der Muskel wie ein „Gummiband“ zwischen zwei Punkten am Skelett gespannt. Eine solch direkte Befestigung verbraucht Muskelgewebe für die bloße Aufnahme und führt oft zum Reißen oder Ablösen, insbesondere wenn versucht wird, größere Kräfte zu erzielen. Künstliche Sehnen führen ein, was die Biologie bereits gelöst hat: eine kontrollierte seriell-elastische Schnittstelle, die den mechanischen Unterschied abmildert und dem Muskel ermöglicht, dort zu arbeiten, wo er am effizientesten ist.

In dieser Lösung des MIT sind die Sehnen als dünne, „kabelähnliche“ Bänder aus Hydrogel mit hoher Zähigkeit und starker Adhäsion geformt. Ihre Rolle ist zweifach. Erstens erhöhen sie als elastische Elemente, die in Reihe mit dem Muskel geschaltet sind, den Nutzhub der Greiferfinger bei gleicher Längenänderung des Muskels. Zweitens verteilen sie als adhäsive Verbindung zum Greiferskelett Spannungen auf eine größere Oberfläche, wodurch kritische Spannungskonzentrationspunkte vermieden werden, die sonst das Gewebe zerreißen oder die Verbindung ablösen würden. Im realen Betrieb bedeutet dies weniger „verschwendeten“ Muskel und eine größere Möglichkeit für präzise, wiederholbare Bewegungen.

Von der Federtheorie zu einem Greifer, der wirklich funktioniert

Vor der Materialsynthese und dem Zusammenbau idealisierten die Forscher die Baugruppe als drei in Reihe geschaltete Federn: der Muskel in der Mitte, Sehnen auf beiden Seiten und starre Greiferelemente, die im Modell als Federn mit sehr hoher Steifigkeit dargestellt werden können. Die bekannte Steifigkeit von Muskel und Konstruktion diente dazu, analytisch und numerisch die optimale Sehnensteifigkeit für die gewünschte Arbeit zu berechnen – steif genug, um Kraft zu übertragen, aber nachgiebig genug, um Hub zu ermöglichen. Basierend auf diesen Berechnungen wurden die Hydrogelformulierung und die Verarbeitungsparameter ausgewählt, und dann wurden die Sehnen präzise in schmale Streifen geschnitten, die leicht über winzige „Umlenkrollen“ an den Greiferfingern geführt werden können. In der Mitte wurde mit Standard-Gewebetechniken ein gezüchtetes Stück Skelettmuskel platziert; die Schnittstellen wurden so ausgeführt, dass die Sehnen chemisch und mechanisch sowohl auf dem lebenden Gewebe als auch auf dem synthetischen Skelett „sitzen“.

Wenn der Muskel angeregt wird (elektrisch, chemisch oder optogenetisch – je nach Konstruktion), übertragen die Sehnen seine Verkürzung auf die Greiferfinger. Der Schlüssel liegt in der Einstellung der Vorspannung der Sehnen: Eine kleine Anfangsspannung beseitigt das Spiel und linearisiert die anfängliche Reaktion des Systems. In dieser Konfiguration maß das Team etwa 3× höhere Schließgeschwindigkeiten und annähernd 30× größere Kräfte im Vergleich zur Variante ohne Sehnen, und der Greifer behielt solche Eigenschaften über >7.000 Zyklen ohne Bruch der Verbindungen oder Hubverlust bei. Parallel dazu wurde die Verbesserung des Leistungsgewichts (~11×) quantifiziert, was bedeutet, dass für den gleichen Effekt weniger Muskelgewebe benötigt wird – entscheidend für Miniaturroboter.

Modularität: ein universeller Verbinder für verschiedene „Skelette“

Neben den Zahlen ist auch die Architektur wichtig. Künstliche Sehnen fungieren als Module – austauschbare Verbindungsstücke zwischen Muskelaktuatoren und verschiedenen Roboterskeletten. Sobald ein Parametersatz (Länge, Steifigkeit, Vorspannung, Aufnahmemethode) entworfen ist, kann dasselbe Modul in verschiedene Geometrien eingebaut werden: von Mikrogreifern für minimalinvasive Eingriffe über agile Greifer zur Manipulation zerbrechlicher Proben bis hin zu autonomen Maschinen, die sich an unvorhersehbares Gelände anpassen. Für Entwicklungsteams bedeutet dies schnellere Iterationen und bessere Skalierbarkeit – es wird nicht jedes Mal ein neuer „Muskel in Form eines Geräts“ entworfen, sondern eine standardisierte Muskel-Sehnen-Einheit verwendet, die wie ein „Legostein“ an verschiedene Skelette angeschlossen wird.

Hydrogel, das kleben, sich dehnen und Zyklen überleben kann

Damit eine Sehne ein glaubwürdiges technisches Element ist, muss sie gleichzeitig dehnbar, fest, zähe (d.h. widerstandsfähig gegen Rissausbreitung) und adhäsiv sein. Dies ist eine Kombination von Eigenschaften, die bei klassischen Hydrogelen lange Zeit widersprüchlich war. In den letzten Jahren wurden Formulierungen von Tough-Hydrogelen (zähen Hydrogelen) und Kompositen entdeckt, die dies in Einklang bringen: Polymernetzwerke mit Energiedissipationsmechanismen, mit einstellbarer Vernetzung und adhäsiven funktionellen Gruppen. In dieser Arbeit diente genau solch ein Hydrogel als „Kabel“, das gleichermaßen gut an der biologischen und der technischen Seite der Schnittstelle haftet. Das Ergebnis ist eine Sehne, die Tausende von Zyklen aushält, Spannungen gleichmäßig verteilt und es einem größeren Teil des Muskels ermöglicht, die Arbeit zu verrichten, für die er evolutionär optimiert ist – Kraft und Hub zu erzeugen –, anstatt als Klebstoff zu „fungieren“.

Feinabstimmung: Steifigkeit und Vorspannung

Ist die Sehne zu steif, verkürzt sich der Hub des Systems und verwandelt sich in einen „harten“ Kontakt, der wiederum die Gewebeschnittstelle überlastet. Ist sie zu weich, gehen Kraft und Energie verloren, und der Greifer wird langsam und „schwammig“. Daher war die Modellierung entscheidend: Durch die Wahl einer Steifigkeit, die diese beiden Extreme ausbalanciert, und das Einstellen der Vorspannung wird ein Arbeitspunkt festgelegt, der die nutzbare Arbeit pro Zyklus maximiert. Mit derselben Philosophie zeigte das Team, dass die Kraftübertragung vom Muskel auf das Skelett um etwa das 29-fache gesteigert werden kann, wenn zusätzlich zur Sehne auch die Steifigkeit des Skeletts selbst optimiert wird. Dies bestätigt eine intuitive, aber oft vernachlässigte Wahrheit aus der Biomechanik: Aktuator, elastische Elemente und Struktur müssen gemeinsam entworfen werden, damit das System als Ganzes effizient ist.

Weiterer Kontext: zwei parallele Fortschrittsströme

Diese Ergebnisse bauen auf zwei wichtigen Fortschrittsströmen in der Gemeinschaft auf. Der erste ist das Design flexibler, „federnder“ Skelette, die die Effizienz von Muskelaktuatoren steigern, indem sie durch Geometrie und Steifigkeitsverteilung die Arbeit pro Kontraktion maximieren. Der zweite ist die Entwicklung multidirektionaler künstlicher Muskeln – Gewebe, die sich in mehrere Richtungen zusammenziehen können (z.B. Iris-Geometrien), was den Weg zu komplexeren, „weichen“ Bewegungen ebnet. Künstliche Sehnen sind ein logisches Verbindungsglied zwischen diesen Strömen: Der Muskel kann ausgefeilte Kontraktionsmuster erzeugen, das Skelett kann elastisch darauf „antworten“, und die Sehnen ermöglichen, dass dieser Tanz mechanisch nachhaltig und energetisch nützlich ist.

Wo wir sie sehen könnten

Medizinische Mikrosysteme. In der minimalinvasiven Chirurgie sind ein sanfter, kontrollierter Griff, Ermüdungsbeständigkeit und außergewöhnliche Miniaturisierung gefragt. Muskel-Sehnen-Einheiten versprechen Greifer und Manipulatoren, die synchron mit der Gewebephysiologie arbeiten und zudem potenziell biokompatibel sind.

Industrie und Labore. Für die Manipulation zerbrechlicher Proben, Zellen, Organoide oder weicher Waren ist eine Kombination aus feiner Kraft und subtilem Hub geeignet. Sehnen ermöglichen es, dasselbe Muskelmodul in verschiedene Werkzeuge „einzustecken“, ohne das Gewebe neu zu entwerfen.

Autonome Späher. In unzugänglichen oder riskanten Umgebungen werden Antriebe benötigt, die selbstanpassend und widerstandsfähig sind. Muskelgewebe kann „trainiert“ werden, und Schäden an der Schnittstelle sind geringer, wenn ein elastischer Puffer vorhanden ist – genau das, was die künstliche Sehne bietet.

Haltbarkeit und Zuverlässigkeit

In Ermüdungstests haben solche Baugruppen ihre Leistung über mehr als 7.000 Zyklen aufrechterhalten. Dies ist eine wichtige Grenze: Der Übergang von der Labordemonstration zu einem Gerät, das in reale Prozesse eingebunden werden kann, beginnt erst, wenn die mechanische Zuverlässigkeit aufhört, ein Engpass zu sein. Hydrogel-Sehnen leisten hier einen doppelten Beitrag – sie behalten die Adhäsion während der Zyklen bei und entlasten den Muskel von extremen Spannungsspitzen an der Verbindung. Dadurch wird das Risiko von Gewebeschäden verringert und die Nutzungsdauer der gesamten Baugruppe verlängert.

Materialwissenschaft im Dienste der Biomechanik

Ein breiterer Blick auf die Literatur der letzten Jahre bestätigt, dass die Hydrogel-Sehne keine isolierte Erfindung ist, sondern Teil eines Trends. Es wurden Komposite mit anisotropen Mikrostrukturen (z.B. mit Aramid-Nanofasern) entwickelt, die in Modul, Festigkeit und Zähigkeit natürliche Sehnen erreichen und sogar übertreffen. Solche Materialien zeigen, dass es möglich ist, hohen Wassergehalt (biologische Kompatibilität), mechanische Robustheit (Widerstand gegen Reißen und Ermüdung) und funktionale Adhäsion (Verbindung zu lebendem Gewebe und technischen Oberflächen) zu kombinieren. Der Beitrag des MIT besteht darin, eine solche Sehne nicht als „Ersatz in der Medizin“ zu behandeln, sondern als aktives mechanisches Element in der Robotik, das mathematisch entworfen und in Serie produziert werden kann.

Vom Labor in die Praxis: Herausforderungen, die bleiben

Damit Muskel-Sehnen-Einheiten ihren Weg in die Anwendung finden, stehen noch einige praktische Aufgaben an. Die Standardisierung von Protokollen zur Muskelgewebezucht und Verbindung mit Sehnen ist entscheidend für die Reproduzierbarkeit zwischen Laboren. Es werden schützende, „hautähnliche“ Hüllen benötigt, die das Gewebe vor Austrocknung und Kontamination bewahren, während sie gleichzeitig Gase und Nährstoffe durchlassen. Die Steuerelektronik muss die „Sprache“ biologischer Aktuatoren lernen: die Anregung in einem geschlossenen Regelkreis steuern, Eigenschaftsänderungen über die Zeit kompensieren und Ermüdung vermeiden. Für die Industrie wird auch der Preis pro Modul wichtig sein: Genau deshalb ist der modulare Ansatz – eine Muskel-Sehnen-Einheit für mehrere Skelette – rational und wirtschaftlich attraktiv.

Was folgt

Die nächste Generation biohybrider Maschinen wird wahrscheinlich multidirektionale Muskeln (die sich in mehrere Richtungen zusammenziehen können), elastische Skelette (die durch Geometrie Arbeit „verstärken“) und adaptive Sehnen (die durch Feinabstimmung von Steifigkeit und Vorspannung die Leistung in den gewünschten Bereich verschieben) kombinieren. Mit Hilfe der additiven Fertigung (3D-Druck von Formen und „Stempeln“ für geführtes Faserwachstum) werden solche Systeme schnell hergestellt und iteriert werden können. Die „Intelligenz“ der Steuerung wird zusätzlich aus dem Lernen aus Daten kommen: Algorithmen werden Muskelanregungsmuster optimieren, um maximale Effizienz bei minimaler Ermüdung zu erreichen.

Warum es gerade jetzt wichtig ist

Wir schreiben das Jahr 2025, und die Soft-Robotik tritt zunehmend aus Labordemonstrationen heraus. In diesem Moment werden Lösungen, die Stärke, Zuverlässigkeit und Modularität kombinieren, entscheidend. Künstliche Sehnen auf Basis zäher Hydrogele zeigen, wie eine grundlegende biomechanische Lektion in einen praktischen technischen Vorteil übersetzt werden kann: Anstatt weiche Aktuatoren zu zwingen, „hart“ zu agieren, wird eine Schnittstelle gebaut, die mechanisch mit beiden Seiten harmoniert. Das Ergebnis sind Baugruppen, die schneller, fester und länger von Zyklus zu Zyklus greifen – und das mit weniger Muskel.

Ein wichtiges Detail: Ein erheblicher Teil dieser Erkenntnisse wurde zunächst als offener Preprint veröffentlicht, damit die Gemeinschaft Ergebnisse schnell überprüfen und Methoden weiterentwickeln konnte, und parallel wurden Studien veröffentlicht, die bestätigen, dass auch der Muskel selbst für multidirektionale Bewegungen geformt werden kann und dass Skelette als elastische „Arbeitsverstärker“ entworfen werden können. Der gemeinsame Nenner bleibt gleich: Anstatt Elektromotoren bis an die Grenzen der Physik zu miniaturisieren, lernen wir von der Biologie, wie man Aktuator, elastisches Element und Struktur klug verbindet. Genau deshalb werden – neben Muskeln – Sehnen immer häufiger im Mittelpunkt des Designs biohybrider Roboter stehen.