Muskelantriebe mit bis zu elfmal größerem Bewegungsumfang

Forschende der ETH Zürich haben Muskelantriebe aus lebendem Gewebe entwickelt, die einen bis zu elfmal größeren Bewegungsumfang erreichen als frühere Systeme mit vergleichbarer Muskelmenge. Mit diesen Antrieben bauten sie kleine Roboter, die springen, schwimmen, gehen und greifen können. Nach Angaben der ETH Zürich zählte dabei neben der Menge des Muskelgewebes vor allem das Zusammenspiel von Muskel und Gerüst.

Die Erstautorschaft teilen sich Aiste Balciunaite und Mike Y. Michelis. Die Arbeit erschien am 11. September 2026 in der Fachzeitschrift Nature Communications. Die Studie trägt den Titel Co-optimized volumetric muscle design for large dynamic deformations in versatile biohybrid robots.

Gezüchtetes Skelettmuskelgewebe zieht sich bislang oft nur so wenig zusammen, dass die Bewegung kaum sichtbar ist. Für biohybride Roboter, die lebende Muskeln antreiben sollen, ist das ein Problem. Bei früheren Systemen ließ sich die Verformung nach Aussage der Doktorandin Balciunaite zum Teil nur mit dem Mikroskop erkennen.

So gingen die Forschenden vor

Die Antriebe bestehen aus Skelettmuskelgewebe und einem weichen Hydrogel-Gerüst; die Muskelzellen stammen von Mäusen. Hydrogel ist ein wasserreiches, weiches Material, dessen Verformbarkeit der von Körpergewebe ähnelt. Muskelanordnung und Gerüst entwarfen die Forschenden gemeinsam am Computer, ein Algorithmus suchte Anordnungen mit möglichst großer Bewegung des Bauteils.

Laut Studie nutzten sie dafür eine Simulation weicher Körper und einen evolutionären Algorithmus, der die Geometrien auf maximalen Bewegungsumfang trimmte. Die Gerüste druckten die Forschenden mit einer Technik namens Xolographie per Licht-3D-Druck; das dauert etwa eine Minute pro Gerüst. Beim Reifen verschmelzen Muskelzellen zu mehrkernigen Muskelfasern, wodurch das Gewebe schrumpft.

Für die Leistungsanalyse nutzten die Forschenden fünf Bioaktuatoren auf Gerüsten von 15 × 3,5 × 1 Millimeter mit Mikrorillen. Ein elektrisches Feld löste eine Kontraktion der Muskelschicht aus, die den Aktuator dank des elastischen Gerüsts verbog.

Springen, schwimmen, gehen

Die Bioaktuatoren sind rund 1,5 Zentimeter lang und verformen sich so stark, dass die Bewegung mit bloßem Auge sichtbar ist. Die Studie nennt Bewegungen bei 1 bis 3 Hertz mit einem Bewegungsumfang bis 6,6 Millimeter. Die Endverformungen lagen zwischen 0,5 und 6,6 Millimetern.

Beim Sprung löste eine einzelne Kontraktion den Aktuator um etwa fünf Millimeter vom Schalenboden, was einem Drittel seiner Körperlänge entspricht. Eine gehende Version kam auf 6,2 ± 0,6 Millimeter pro Sekunde, gemessen über mehrere Laufspuren. Bezogen auf die Körperlänge pro Minute übertraf sie laut Studie alle zuvor berichteten biohybriden Roboter. Den effizientesten Vortrieb erzielte ein spontanes Zucken statt einer vorgegebenen Stimulation, vermutlich weil es mit 3 Hertz im optimalen Takt lag.

Die Kontraktionen eines einzelnen Aktuators waren konsistent, die Standardabweichung lag bei aufeinanderfolgenden Kontraktionen bei bis zu 6 Prozent; die Verformung der Aktuatoren insgesamt blieb jedoch variabel. Die Forschenden koppelten auch mehrere Muskeleinheiten zu komplexeren Aktuatoren.

Am meisten beeindruckte Balciunaite nach eigenen Worten das Springen. Ein Sprung sei ein seltener Bewegungstyp und erfordere eine ausgeprägte Verformung. An diesem Versuch lasse sich ablesen, wie stark der Erfolg vom Zusammenwirken von lebendem Muskel und weichem Kunstgerüst abhängt.

Warum Muskel und Gerüst zusammengehören

In der Simulation maximierte eine aktive Muskelschicht von 40 bis 50 Prozent der Höhe, die die gesamte Länge abdeckt, die Verformung. Volle Haftung zwischen Muskel und Gerüst ergab den größten Bewegungsumfang. War die Haftung unzureichend, löste sich die Muskelschicht innerhalb von 48 Stunden vom Gerüst.

Muskel und Gerüst bilden nach Darstellung der ETH eine durchgehende, feste Verbindung. Feine Rillen im Gerüst unterstützen die Verankerung des Gewebes und die Ausrichtung der Muskelfasern, sodass bei der Kraftübertragung auf das Gerüst möglichst wenig Muskelkraft verloren geht. Zellen sammelten sich in den oberen 100 Mikrometern der Muskelschicht, wegen der Diffusionsgrenze für Nährstoffe und Sauerstoff von etwa 100 Mikrometern.

Einordnung

Biohybride Roboter nutzen gezüchtetes lebendes Muskelgewebe als Antrieb; als Vorteile nennt die Studie Selbstorganisation, Anpassungsfähigkeit und Selbstheilung. Bisherige Entwürfe konzentrierten sich laut den Autoren darauf, die Muskelphysiologie zu verbessern, und beachteten das Zusammenspiel mit dem Gerüst kaum.

Die Studie verweist auf frühere Arbeiten mit kontraktilen Filmen, die nur wenige Millimeter in der längsten Ausdehnung maßen und deren aktive Schicht eine dünne Einzelzellschicht von etwa 10 Mikrometern war. Die Optimierung zentimetergroßer Antriebe unter Berücksichtigung von Muskel- und Gerüstmaterial war demnach bisher nicht gelungen.

Eine Übersichtsarbeit in npj Robotics beschreibt, dass Skelettmuskeln eine präzise Steuerung ermöglichen, die für Gehen und Greifen geeignet ist, während Herzmuskeln rhythmische Kontraktionen für Schwimmen und Pumpen liefern. Dieselbe Arbeit nennt Stabilität, Skalierbarkeit und die genaue Verbindung von lebenden und künstlichen Teilen als weiter offene Hürden.

Dieselbe Übersicht schildert Vorläufer. Mit einem System von Guix und Kollegen erreichten Schwimmer bis zu 800 Mikrometer pro Sekunde. Eine Gruppe um Yang erreichte mit elektromechanischer Ko-Stimulation einen Roboter, der sich mit 2,38 Millimetern pro Sekunde bewegte.

Wie belastbar ist das?

• Die Arbeit kombiniert Computersimulation mit Laborexperimenten an gezüchtetem Muskelgewebe.
• Für die Leistungsanalyse wurden fünf Bioaktuatoren untersucht.
• Das Muskelgewebe stammt von Mäusezellen, und die Roboter sind vorerst auf eine Nährflüssigkeit angewiesen.
• Die Arbeit erschien in Nature Communications und wurde dort von Fachleuten begutachtet.
• Gefördert wurde die Arbeit über das Programm SFA-AM im Rahmen der ALIVE-Initiative und vom Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung; ein Autor erhielt zudem ein Doktorandenstipendium des ETH AI Center.
• Die früheren Systeme, mit denen die Studie vergleicht, waren nicht per Rechenverfahren auf Bewegungsumfang optimiert.
• Von einem Roboter für den langfristigen Einsatz sind die Forschenden nach eigener Einschätzung noch weit entfernt.

Offene Fragen

Als weitere Hürde nennt die ETH die Schwankungen im lebenden Gewebe: Die gezüchteten Muskelantriebe verhalten sich nicht einheitlich, anders als Bauteile aus industrieller Fertigung. Die Forschenden wollen die Variabilität des Gewebes besser kontrollieren, um Antriebe schneller und parallel herzustellen. Ziel ist, die Reifung des Muskelgewebes im Labor besser zu verstehen und zu steuern.

Nach Katzschmanns Einschätzung zeigt die Studie vor allem, was die Verbindung von lebendem Gewebe mit weichen Kunststrukturen leisten kann. Künftig könnten Roboter demnach stärker auf Eigenschaften lebender Organismen setzen, anstatt Bewegungen allein mit klassischen Motoren und starren Teilen zu erzeugen. Die Arbeit zeige auch, wie eng Zellbiologie, Materialwissenschaft, Robotik und computergestütztes Design dafür zusammenarbeiten müssen.

Für größere Systeme braucht es laut Katzschmann ein Gefäßsystem, das Sauerstoff und Nährstoffe ins Gewebe bringt. Das sei eine der größten Herausforderungen. Als nächsten Schritt sehen die Autoren, Einschränkungen wie die diffusionsbegrenzte Gewebedicke in das Entwurfsverfahren einzubeziehen, um größere durchblutbare Gewebe zu entwerfen.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Ein kleiner Sprung für den Muskel, ein grosser Schritt für die Robotik“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 24.10.2026
• Biohybrid actuators in robotics: recent trends and future perspectives of skeletal and cardiac muscle integration (nature.com). Quelle, abgerufen am 24.10.2026

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