Selbstorganisierte Minimalenergie-Elastomeraktuatoren

Dielektrische Elastomeraktuatoren zeigen eine beeindruckende Flächenausdehnung, wenn sie großen elektrischen Feldern unterworfen werden. Sie sind leicht, kostengünstig und können in nahezu beliebigen Aktuatorkonfigurationen betrieben werden. Diese attraktiven Eigenschaften haben dazu geführt, dass dielektrische Elastomeraktuatoren potentiell in künstlichen Muskeln, in adaptiven Strukturen und in der Robotik zum Einsatz kommen können. Dielektrische Elastomeraktuatoren werden stets als deformierbarer Kondensator betrieben, in dem sich das Elastomer zwischen zwei hochelastischen Elektroden befindet. Die geometrische Form der Aktoren wird durch das Anlegen einer hohen Spannung an die Elektroden verändert. Die hohe Spannung verursacht Maxwell- Spannungen im Elastomer, dabei wird das Elastomer in der Dickenrichtung komprimiert und in der Fläche expandiert. Viele Aktuatorkonfigurationen wurden bereits in der Literatur beschrieben, wir haben diese durch selbstorganisierte Minimalenergieaktuatoren um eine weitere Variante bereichert. Da dielektrische Elastomeraktuatoren durch elektrische Felder betrieben werden, sollte der elektrische Strom Informationen über die Dehnungsverhältnisse im Aktor beinhalten. Die elektrische Antwort solcher Aktoren ist hochgradig nichtlinear, auf Grund der starken geometrischen Änderungen im Elastomer während des Betriebs. Obwohl es nahe liegend scheint, dielektrische Messtechniken auf dieses Problem anzuwenden, sind so gut wie keine Arbeiten darüber erschienen. Elastomere stellen ein ideales System für Entropieelastizität dar, da sie aus einem Netzwerk von verknäuelten und quervernetzten Polymerketten bestehen. Elastomere können räumlich variierende mechanische Spannungs- und Dehnungsfelder aufrechterhalten und elastische Energie speichern. Die hohe Konfigurationsentropie des Elastomers wird verringert durch mechanisches Verstrecken, dabei wird die freie Energie des Elastomers erhöht. Die Streckraten können in Elastomeren sehr groß werden, daher werden diese Materialien in der Regel durch Hyperelastizitätsmodelle beschrieben, die sowohl auf rein phänomenologischen Funktionen als auch auf statistisch mechanischen Modellfunktionen beruhen können. Modelle zur Beschreibung dielektrischer Elastomeraktuatoren sind essentiell für das Design und für die Optimierung von Aktuatorkonfigurationen. Modelle werden zunächst am besten an einfachen Aktuatordesigns getestet, z.B. dem zirkularen Aktor der zur Demonstration der großen Flächenausdehnung herangezogen wird. Wegen des elektromechanischen Prinzips der Aktoren sind auch elektromechanische "Pull-in" Instabilitäten möglich, die den Betrieb der Aktoren einschränken können. Nur wenige experimentelle und theoretische Studien haben sich bisher mit dieser Problematik auseinandergesetzt. Im Projekt sollen Methoden der nichtlinearen dielektrischen Spektroskopie auf Elastomeraktoren angewendet werden. Die Flächenausdehnung der Aktoren wird dabei elektrisch bestimmt und mit optischen Daten verglichen. Damit wird nicht nur eine rein elektrische Kontrolle des Aktors ermöglicht, wir erwarten ebenfalls neue Erkenntnisse wenn die Aktoren in bi- und instabilen Bereichen betrieben werden. Die hohe Empfindlichkeit dielektrischer Messungen lässt uns auch erwarten, dass eine Qualitätskontrolle der dehnbaren Elektroden möglich ist. Darüber hinaus sollen m Projekt auch aktive Rahmenmaterialien in minimal Energiaktuatoren zum Einsatz kommen um neue Aktorkonfigurationen zu demonstrieren. Die Modellbildung soll auf statistisch mechanischen Argumenten beruhen um für Materialentwickler Richtlinien für die Materialoptimierung zu entwickeln. Zusammenfassend ist es geplant, neue Charakterisierungstechniken und Aktuatorkonfigurationen zu entwickeln, bi- und Instabilitäten der Aktoren zu untersuchen, die Ergebnisse mittels statistisch mechanischen Modellen zu analysieren um Richtlinien zur Material und Bauelementoptimierung abzuleiten.

Dielektrische Elastomere vergrößern ihre Oberfläche und werden dünner wenn eine elektrische Spannung an sie angelegt wird. Dieser robuste Mechanismus ist das Fundament einer aufkommenden Technologie mit weitreichenden Anwendungen, von weichen Robotern, taktilen und haptischen Schnittstellen hin zu adaptiven Optiken. Das Projekt P20971-N20 hat eine Reihe von grundlegenden Beiträgen zum Fortschritt des Arbeitsgebietes geleistet. Ein kritisches Problem der dielektrischen Elastomertechnologie sind elektromechanische Instabilitäten. Wenn an einen dielektrischen Elastomeraktuator eine Spannung angelegt wird, wird der Elastomerfilm dünner, das elektrische Feld wird größer und damit die anziehenden Kräfte zwischen den Elektroden des Aktuators. Erreicht die Spannung einen kritischen Wert führt der positive Rückkopplungsmechanismus dazu dass die Elastomermembran drastisch dünner wird bis ein elektrischer Durchbruch des Elastomers erfolgt. Wir haben gezeigt dass diese sogenannte pull-in Instabilität vermieden werden kann wenn die Aktuatoren elektrodenfrei mit aufgesprühten Ladungen betrieben werden. Interessant ist dabei, dass diese Betriebsmöglichkeit bereits durch Wilhelm Conrad Röntgen 1880 vorgeschlagen und experimentell gezeigt wurde. In einem Übersichtsbeitrag in der Zeitschrift Science wurden die ersten zehn Jahre des Gebiets der dielektrischen Elastomeraktoren zusammengefasst, wobei neue Forschungsfelder identifiziert wurden um weitere Forschungsarbeiten zu triggern. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist dabei die Reduzierung der Arbeitsspannung. Wir konnten zeigen dass man Elastomermembranen stark verformen kann in einem Aktuator der auf der Verdampfung einer Flüssigkeit beruht. Unsere letzten Forschungsanstrengungen waren ausgerichtet elektromechanische Instabilitäten sicher zu gestalten. Wir konnten zeigen dass man mit Elastomeren riesige Flächenänderungen bis zu 1700 % elektrisch triggern kann in Ballonaktuatoren. Neben diesen Aktivitäten gelang es auch ein völlig neues Forschungsthema zu etablieren mit der Herstellung der ersten mechanisch dehnbaren Batterie. Während der Projektlaufzeit konnten wissenschaftliche Kooperationen mit den Arbeitsgruppen von Prof. Zhigang Suo, School of Engineering and Applied Sciences von der Harvard University und Takao Someya, Electrical Engineering, University of Tokyo etabliert werden. Zwei Dissertanten des Projektes, Christoph Keplinger und Martin Kaltenbrunner sind derzeit Postdocs in Harvard und an der University of Tokyo.