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Ein rekonfigurierbarer weicher Aktuator

Umwandlung von flachen Elastomeren in 3D-Formen

06.02.2019

Image courtesy of the Clarke Lab/Harvard SEAS

Ein zunächst flaches, dünnes, kreisrundes Elastomerblech mit eingebetteten Elektroden verwandelt sich in eine Sattelform.

Mechanische Systeme, wie Motoren und Antriebe, beruhen auf zwei Hauptbewegungsarten von steifen Komponenten: der linearen Bewegung, bei der sich ein Objekt von einem Punkt zum anderen in einer geraden Linie bewegt, und der Drehbewegung, bei der sich ein Objekt um eine Achse dreht.

Die Natur hat weitaus ausgefeiltere Bewegungsformen - oder Betätigungsformen - entwickelt, die komplexe Funktionen direkter und mit weichen Komponenten ausführen können. Beispielsweise können unsere Augen den Fokus ändern, indem sie einfach weiche Muskeln zusammenziehen, um die Form der Hornhaut zu verändern. Im Gegensatz dazu fokussieren Kameras, indem sie feste Objektive entlang einer Linie bewegen, entweder manuell oder durch einen Autofokus.

Aber was wäre, wenn wir Formänderungen und Bewegungen in der Natur nachahmen könnten?

Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ein Verfahren entwickelt, um die Form einer flachen Elastomerplatte zu verändern, indem sie eine Ansteuerung verwenden, die schnell, reversibel, durch eine angelegte Spannung steuerbar und in verschiedene Formen rekonfigurierbar ist.

"Wir sehen diese Arbeit als den ersten Schritt in der Entwicklung eines weichen, formverändernden Materials, das seine Form gemäß den elektrischen Steuersignalen eines Computers ändert", sagte David Clarke, der Extended Tarr Family Professor für Materialien bei SEAS und Senior Author der Arbeit. "Dies entspricht den allerersten Schritten in den 1950er Jahren, integrierte Schaltungen aus Silizium zu schaffen und Schaltungen aus diskreten, individuellen Komponenten zu ersetzen. So wie diese integrierten Schaltungen im Vergleich zu den Fähigkeiten der heutigen Elektronik primitiv waren, verfügen unsere Geräte über eine einfache, aber integrierte dreidimensionale Architektur aus elektrischen Leitern und Dielektrika und demonstrieren die Elemente der programmierbaren Rekonfiguration, um große und reversible Formänderungen zu erzeugen."

Die rekonfigurierbare Elastomerplatte besteht aus mehreren Schichten. Zwischen jeder Schicht sind Elektroden auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Basis mit unterschiedlichen Formen integriert. Wenn eine Spannung an diese Elektroden angelegt wird, entsteht innerhalb der Elastomerplatte ein räumlich variierendes elektrisches Feld, das ungleichmäßige Veränderungen in der Materialgeometrie hervorruft, so dass sie sich in eine kontrollierbare dreidimensionale Form verwandeln kann.

Verschiedene Elektrodensätze können unabhängig voneinander eingeschaltet werden, was unterschiedliche Formen ermöglicht, je nachdem, welche Elektrodensätze eingeschaltet sind und welche ausgeschaltet sind.

"Diese formgebenden Betätigungen sind nicht nur rekonfigurierbar und reversibel, sondern haben auch eine Leistungsdichte, die derjenigen natürlicher Muskeln ähnlich ist", sagt Ehsan Hajiesmaili, Erstautor der Arbeit und Doktorand an SEAS. "Diese Funktionalität könnte die Funktionsweise mechanischer Geräte verändern. Es gibt Beispiele für aktuelle Geräte, die anspruchsvollere Verformungen nutzen könnten, um effizienter zu funktionieren, wie optische Spiegel und Linsen. Noch wichtiger ist, dass diese Auslösungsmethode die Tür zu neuartigen Vorrichtungen öffnet, die aufgrund der komplexen Verformungen, die erforderlich sind, als zu kompliziert erachtet werden, wie beispielsweise ein formgebendes Profil".

In dieser Forschung hat das Team auch die Betätigungsformen vorhergesagt, da die Elektrodenanordnung und die angelegte Spannung ausgelegt sind. Als nächstes wollen die Forscher das umgekehrte Problem angehen: Bei einer gewünschten Betätigungsform, wie ist das Design der Elektroden und die erforderliche Spannung, die sie verursachen wird?

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