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Martin Kaltenbrunner und Christoph Keplinger - Gummi lässt die Muskeln spielen

Dielektrische Elastomer Aktuatoren

oder

Gummi lässt die Muskeln spielen

Martin Kaltenbrunner und Christoph Keplinger
angefertigt an der Abteilung für Physik weicher Materie des Instituts für Experimentalphysik

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Seit jeher versuchen Forscher die Natur zu imitieren. Eine besonders interessante Eigenschaft von Leben ist es, mit elektrischen Impulsen zielgerichtet Bewegungen steuern zu können, so wie beim Menschen das Gehirn die Muskeln steuert. Ein technisches Gerät, das elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt, ist ein Elektromotor, doch erinnert die Bewegung eines derart betriebenen Roboterarmes nur noch entfernt an die geschmeidige Eleganz der Bewegung eines menschlichen Armes. Oft ist es bei technischen Anwendungen noch dazu erstrebenswert, möglichst leichte und kostengünstige Ausgangsmaterialien zu verwenden. Das Ziel vieler Forscher ist es demnach eine Art "künstlichen Muskel" zu konstruieren, dem ein vielversprechendes Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten in diversen Disziplinen offensteht.

Abbildung 1: Greifarm aus Dielektrischen Elastomer Aktuatoren der einen Zylinder hebt

Als besonders geeignete Kandidaten für "künstliche Muskeln" aus leichten und kostengünstigen Materialien haben sich durchsichtige und hochelastische Klebebänder erwiesen, die bereits in der Automobilindustrie im Einsatz sind. Aus diesen gummiartigen Klebebändern lassen sich sogenannte "Aktuatoren" herstellen, die Signale einer elektrischen Regelung in Bewegung umsetzen, so wie das Gehirn mit elektrischen Signalen unsere Muskeln steuert. Um das Klebeband nun zum "Leben" zu erwecken, werden auf beiden Seiten dehnbare Elektroden angebracht und mit elektrischer Spannung versorgt, wodurch positive und negative Ladungen auf die Elektroden aufgebracht werden. Weil sich diese Ladungen anziehen, wird das Band zusammengedrückt und dehnt sich daher seitlich aus, so wie wenn man einen mit Wasser gefüllten Ballon in einer Richtung quetscht und er dann in die anderen Richtungen ausweicht. Dies bewirkt den gewünschten Bewegungseffekt.

Abbildung 2: Linearaktuator, der mit "aufgesprühten" Ladungen betrieben wird

Martin Kaltenbrunner und Christoph Keplinger untersuchten in ihrer gemeinsamen Diplomarbeit solche "Muskeln aus Klebeband", die im wissenschaftlichen Fachchargon als Dielektrische Elastomer Aktuatoren bezeichnet werden. Dazu entwickelten sie ein thermodynamisch fundiertes und auf der statistischen Physik von Makromolekülen basierendes Modell eines häufig studierten, planaren Aktuators mit zirkularen Elektroden.

Abbildung 3: Planarer Zirkularaktuator mit dehnbaren Elektroden

Mit Hilfe dieses Modells gelang es, das theoretische Grundverständnis der Deformationsprozesse bei einem Aktuationsvorgang zu verbessern und damit das Geheimnis des sogenannten "Pull-In Effekts" zu lüften. Bei diesem Pull-In handelt es sich um den von verwandten physikalischen Gebieten bekannten Effekt, dass sich ab einer gewissen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden diese schlagartig, ohne weitere Erhöhung der Spannung, zusammenziehen. Das führt bei Elastomer Aktuatoren, die durch eine gewisse elektrische Durchbruchfeldstärke gekennzeichnet sind, zu einem Kurzschluss und folglich zur Zerstörung des Aktuators. Da das von den beiden Studenten entwickelte Modell diesen Effekt vorhersagt, gelang es Parametersätze, wie beispielsweise das Schermodul sowie den Grad der Vernetzung des verwendeten Elastomers, zu definieren, die einen Aktuator gegen das Auftreten eines Pull-In Effektes stabilisieren.

Darüber hinaus wurde das experimentelle Prinzip der kapazitiven Extensometrie entwickelt, um dynamische Daten über die Deformationsvorgänge von Aktuatoren und die Qualität der dehnbaren Elektroden zu erhalten: Der zum Betrieb des Aktuators notwendigen angelegten Gleichspannung wird ein Wechselstromsignal kleiner Amplitude überlagert, womit man die Impedanz des Aktuators misst (aus elektrischer Sichtweise stellt dieser einen Kondensator variabler Kapazität dar — analog zu einem Plattenkondensator, der zusammengedrückt wird: die Platten werden größer und ihr Abstand kleiner). Aus dieser Kapazitätsmessung lässt sich daher auf den Deformationszustand rückrechnen, was sowohl die Überwachung als auch eine Steuerung des Aktuators ermöglicht. Die so gewonnenen Messwerte stimmen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein.

Durch die Symbiose der gewonnenen Erkenntnisse einerseits beim Verständnis der Deformationsprozesse auf molekularer Ebene und andererseits bei der Überwach- und Steuerbarkeit von Dielektrischen Elastomer Aktuatoren gelang es, dem Traum vieler Forscher von "künstlichen Muskeln" einen Schritt näher zu kommen.

Abb. 4: "Energielandschaft", der energetisch günstigen Deformationszustände eines Aktuators bei Variation der angelegten Spannung
(ν ist ein Maß für die Spannung, ˜f für die Freie Energie und λ die relative radiale Dehnung)

Abbildung 5: Schema der kapazitiven Extensometrie mit zusätzlicher optischer Vergleichsmessung