Kontinuierliche Herstellung von Janus-Flüssigkristall-Elastomerfasern mit programmierbarer Aktuation

Intelligente Fäden, die sich wie Muskeln bewegen

Stellen Sie sich Kleidung vor, die sich zusammenzieht, um Sie warm zu halten, oder haarfeine Fäden, die sich einrollen, um Gegenstände zu greifen und zu bewegen wie winzige Roboter‑Muskeln. Diese Studie stellt eine neue Art von Faser vor, die sich verdrehen, aufrollen, kriechen und sogar kleine Roboter steuern kann – und dabei ausreichend robust bleibt, um in Alltagsstoffe eingewebt zu werden.

Gelernt von Kletterpflanzen

Kletterpflanzen wie Ranken krümmen und wickeln sich, weil das Material in ihren Stängeln nicht auf allen Seiten gleich ist. Eine Seite versteift stärker als die andere, was ein eingebautes Ungleichgewicht erzeugt und dazu führt, dass der Stängel sich biegt und spiralig wächst. Die Forschenden übernehmen diese Idee für die Konstruktion sogenannter „Janus“-Fasern – benannt nach dem zweigesichtigen römischen Gott –, bei denen jede Hälfte des Querschnitts sich anders verhält. Eine Seite ist ein Flüssigkristall-Elastomer, ein gummiartiges Material, dessen interne Ordnung sich mit Wärme oder Licht ändert und das sich wie ein Muskel zusammenziehen kann. Die andere Seite ist ein dynamisches Polyurethannetz, das zäh und leicht rekonfigurierbar ist, Festigkeit liefert und ermöglicht, neue Formen zu verriegeln.

Wie die neuen Fasern hergestellt werden

Um dieses Konzept in etwas zu verwandeln, das laufmeterweise produziert werden kann, baute das Team ein kontinuierliches Extrusionssystem. Zwei flüssige Vorläuferstoffe, einer für jede Seite der Faser, werden durch eine spezielle Düse gepresst, die sie zu einem einzigen, zweifarbigen Strang vereint. Sobald der Strang austritt, beginnt ultraviolettes Licht beide Hälften nahezu gleich schnell zu verfestigen, sodass die interne Grenze zwischen ihnen sauber und flach bleibt, statt zu vermischen oder aufzubrechen. Die Faser läuft dann durch Walzen, die sie ziehen und die Flüssigkristallsegmente längs ausrichten. Eine zweite UV-Bestrahlung „verankert“ diese Ausrichtung, und eine anschließende schonende Erwärmung erlaubt es den dynamischen Bindungen in der stützenden Hälfte, sich neu zu ordnen und die Gesamtstruktur zu stärken.

Starke, einstellbare künstliche Muskeln

Das Ergebnis ist eine schlanke Hybridfaser, deren Eigenschaften sich durch Anpassung der Extrusionsgeschwindigkeit, der Dehnung und des relativen Flusses der Komponenten einstellen lassen. Tests zeigen, dass diese Fasern nicht nur deutlich stärker sind als herkömmliche Flüssigkristallfasern, sondern auch große Verformungen ohne Bruch aushalten können. Beim Erhitzen über eine bestimmte Temperatur zieht sich die Flüssigkristallseite zusammen, während die andere Seite Widerstand leistet, wodurch die Faser sich biegt und zu Spiralen aufrollt, die große und schnelle Längenänderungen zeigen. Da das stützende Netzwerk Bindungen enthält, die sich bei höheren Temperaturen umordnen können, lässt sich dasselbe Faserstück durch Dehnen, Erhitzen und kontrolliertes Abkühlen in verschiedene helikale Formen „umprogrammieren“ – lockerere oder engere Windungen, gerade Abschnitte neben aufgewickelten Bereichen.

Winzige Roboter und formwandelnde Stoffe

Mit diesen programmierbaren Eigenschaften demonstrieren die Autoren mehrere Miniaturgeräte. Einzelne Fasern können sich um und um heiße Drähte wickeln und Lasten heben, die viele tausend Mal schwerer sind als sie selbst. Wenn sie mit lichtabsorbierenden Partikeln beschichtet werden, agieren Faserbündel als Beine für einen kleinen Wasserlauf‑Roboter, der vorwärtsgehen oder rotieren kann, je nachdem, welche Seite mit Infrarotlicht beleuchtet wird. Andere Fasern werden zu Gradientenfedern geformt, die sich beim Wechsel zwischen heiß und kalt in engen Röhren fortbewegen und das Kriechen einer Raupe nachahmen. Schließlich werden die Fasern mit Standard‑Textiltechniken zu Stoffen verwoben. Bei Dehnung der Textilie rollen die eingebetteten Fasern auf und flauschen das Gewebe auf, fangen mehr Luft ein und verbessern die Isolierung; leichte Erwärmung bringt den Stoff in seinen ursprünglichen, flacheren Zustand zurück und reduziert so bei Bedarf die Wärme.

Warum das wichtig ist

Für Laien ist die zentrale Botschaft, dass die Forschenden eine Methode gefunden haben, haarfeine, zweiseitige Fasern kontinuierlich herzustellen, die zugleich stark und intelligent sind. Eine Seite liefert muskelähnliche Bewegung, die andere bietet Zähigkeit und die Fähigkeit, neue Formen zu „speichern“. Da diese Fasern in langen Längen gefertigt werden können und normale Handhabung überstehen, eignen sie sich als Bausteine für weiche Roboter, bewegliche Textilien und adaptive Geräte, die auf Wärme oder Licht reagieren. Im Kern bringt uns diese Arbeit näher an Alltagsmaterialien, die sich leise selbst umgestalten, um zu greifen, zu gehen oder unseren Komfort zu regulieren – angetrieben von der verborgenen Intelligenz ihrer Fasern.

Zitation: Xu, J., Wan, H., Fang, Z. et al. Continuous fabrication of Janus liquid crystal elastomer fibers with programmable actuation. Nat Commun 17, 2254 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68992-2

Schlüsselwörter: weiche Robotik, intelligente Textilien, künstliche Muskelfasern, Flüssigkristall-Elastomere, programmierbare Materialien