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25.06.2021 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Dielektrische Elastomere stimulieren Soft-Material-Robotik

Autor:
Dieter Beste
3:30 Min. Lesedauer

Chirurgische Instrumente, die sich wie feine Oktopus-Arme in alle Richtungen schlängeln können oder auch kraftvolle Roboterarme – Forscher arbeiten an Smarten Muskeln aus "intelligentem" Kunststoff.

An einer neuen, smarten Art von Roboterarmen arbeitet ein Team um Professor Stefan Seelecke und Juniorprofessor Gianluca Rizzello an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema). Aus dielektrischen Elastomeren formen die Wissenschaftler künstliche Muskeln und Nerven. "Unsere Technologie der intelligenten Polymersysteme ermöglicht neuartige, weiche Roboterwerkzeuge, die leichter, wendiger und flexibler sind als die heutigen starren technischen Bauteile", sagt Stefan Seelecke. Unterstützt werden die Arbeiten von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Soft Material Robotic Systems"; über jüngste Erfolge informierte das Saarbrücker Team kürzlich in einer Fachpublikation: Das dielektrische Elastomer der Saarbrücker Forscher kann sich zusammenziehen und strecken wie ein Muskel. "Diese Eigenschaft nutzen wir als Aktor, also als Antrieb", sagt Gianluca Rizzello. Indem sie das elektrische Feld ändern, lassen die Ingenieure das Elastomer nach eigenen Angaben hochfrequent vibrieren, stufenlos kraftvolle Hub-Bewegungen vollführen oder auch in jeder gewünschten Stellung verharren.

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Modeling of Dielectric Elastomer Actuator

Dielectric elastomer deforms in terms of area expansion under a voltage. The large and quick strain in dielectric elastomer features promising applications in soft robotics. This chapter introduces the characteristics of dielectric elastomer in …

Dielektrische Elastomere (DEAP) zählen zur Gruppe der elektroaktiven Polymere (EAP), erläutern Johannes Michael Sinapius und Sebastian Geier im Buchkapitel "Funktionswerkstoffe". Aktoren aus dielektrischen Elastomeren bestehen den Springer-Autoren zufolge aus einem passiven 20 bis 60 µm dicken Elastomerfilm (Silikon, Acryl) im Verbund mit flächigen, elastischen Elektroden. Elastomere sind Kern dieses Verbundes. Dabei handelt es sich um formfeste Kunststoffe, die sich bei Zug- oder Druckbelastung durch Streckung der verknäulten Molekülketten verformen. Nach Entlastung finden sie wieder in ihre ursprüngliche Gestalt zurück. 

Ursache für die hohe reversible Verformbarkeit sind, so Sinapius und Geier, verknäult vorliegende, sehr lange Polymerketten, die sich unter äußeren Kräften strecken und sich nach Entlastung wieder in den statistisch bevorzugten verknäulten Zustand zurückbilden. Die Herstellung dielektrischer Elastomeraktoren bestehe somit im Wesentlichen aus drei Schritten: der Erzeugung eines sehr dünnen dielektrischen Elastomerfilms, das anschließende Aufbringen zweier elektronisch leitfähiger Schichten als Elektroden und abschließend deren elektrischer Kontaktierung. "Die Wirkung dielektrischer Elastomer-EAPs beruht auf Maxwellschen Spannungen, die in Dielektrika durch elektrostatische Kräfte der sich anziehenden Elektroden hervorgerufen werden", erklären die Autoren (Seite 74). 

Kernlos gerollter dielektrischer Elastomer-Aktor

Das Saarbrücker Forscherteam hat nun einen kernlosen gerollten dielektrischen Elastomer-Aktor entwickelt, den sie als künstlichen Muskel in weichen Roboterstrukturen einsetzen wollen. Ihr Verbund-Konzept basiert auf einer 50-µm-Silikonfolie mit siebgedruckten Elektroden aus in Polydimethylsiloxan suspendiertem Ruß. Zwei bedruckte Silikonfolien werden übereinandergestapelt und dann zu einer spiralförmigen Struktur eng aufgerollt. Dafür haben die Wissenschaftler einen Fertigungsprozess entwickelt, der die Herstellung von gerollten Aktoren ohne Hohlkern ermöglicht. Das habe den Vorteil, Aktorsysteme mit hoher Energiedichte realisieren zu können. 

Die Steuerung solcher Systeme sei weit schwieriger als bei herkömmlichen mechatronischen Systemen, gibt Gianluca Rizzello zu bedenken, denn die Elastomer-Muskeln fungieren in der Saarbrücker Entwicklung zugleich als Nerven des Systems: Sie haben selbst Sensor-Eigenschaften, so dass der Roboterarm ohne weitere Sensorik auskommt. "Jede Verformung des Elastomers, jede Änderung seiner Geometrie, bewirkt eine Änderung der elektrischen Kapazität und lässt sich präzisen Messwerten zuordnen. Messen wir die elektrische Kapazität, wissen wir, wie das Elastomer gerade verformt ist und können hieraus sensorische Daten ablesen", erläutert der Ingenieur.

Neuartige Roboter-Tentakeln

Mit diesen Werten lassen sich nun die Bewegungsabläufe präzise modellieren und programmieren, erläutert Rizzello; hierfür intelligente Algorithmen zu entwickeln, um den neuartigen Roboter-Tentakeln ihr gewünschtes Verhalten anzutrainieren, steht denn auch im Mittelpunkt von Rizzellos Forschung. "Wir arbeiten daran zu verstehen, welche physikalischen Eigenschaften dem Verhalten der Polymere zugrunde liegen. Je mehr wir darüber wissen, umso passgenauere Algorithmen können wir zu ihrer Steuerung entwerfen", sagt der Juniorprofessor. Die so entstehende Technologie werde skalierbar sein, sind die Saarbrücker Wissenschaftler überzeugt: Sie könne in feinen Tentakeln etwa für medizinische Instrumente zum Einsatz kommen, aber auch bei großen Industrierobotern. Und: "Anders als die heutigen Roboterarme, die schon mit ihrem beachtlichen Gewicht gegen die Schwerkraft ankämpfen müssen, werden diese Roboterarme leicht sein." 
 

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