Dielektrische Elastomer Aktoren Bionische Lösungen treiben die Automatisierung an

Autor / Redakteur: Maximilian Landgraf, Sebastian Reitelshöfer, Jörg Franke* / Reinhard Kluger

Noch sind sie Forschungsgebiet: Dielektrische Elastomer Aktoren, kurz DEA, aber bald schon sollen sie die unterschiedlichsten Aufgaben in der Automatisierung übernehmen. Arbeiten sie doch besonders energieeffizient und: DEA können hochkomplexe Bewegungen ganz einfach ausführen.

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Skizzierter Aufbau eines künstlichen Muskels: Elementare DEA werden zu Stapelaktoren zusammengefasst, welche wiederum gebündelt einen künstlichen Muskel bilden.
Skizzierter Aufbau eines künstlichen Muskels: Elementare DEA werden zu Stapelaktoren zusammengefasst, welche wiederum gebündelt einen künstlichen Muskel bilden.
(FAPS)

Bisherige grundlagenorientierte Forschungsarbeiten haben zeigen können, dass Aktoren auf Basis von DEA das biologische Vorbild der quergestreiften Skelettmuskulatur des Menschen in Bezug auf Energiedichte und Wirkungsgrad übertreffen können. Der Aufbau eines DEA beruht auf dem Prinzip eines nachgiebigen Kondensators, dessen Dielektrikum aus einem hochelastischen, inkompressiblen Material besteht, das zusätzlich geeignete elektrische Eigenschaften, wie eine hohe Durchschlagsfestigkeit bei gleichzeitig möglichst hoher Permittivität besitzt. Hierbei finden Elastomere auf Acryl- oder Silikonbasis Verwendung, welche auch bei sehr dünnen Schichten von 10 µm bis 50 µm elektrischen Spannungen im Kilovoltbereich standhalten und sich um ein Vielfaches viskoelastisch ausdehnen können.

Elektrische Leitfähigkeit der Elektroden bleibt trotz Dehnung erhalten

Damit eine elastische Verformung des DEA uneingeschränkt möglich ist, werden die Elektroden des Kondensators ebenfalls mit Elastomeren realisiert, welche mit Carbon-Nano-Tubes compoundiert sind. Daraus ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden trotz Dehnung erhalten bleibt und aufgrund der nahezu gleichen Materialeigenschaften von Elektrode und Dielektrikum nur geringe Scherkräfte an deren Grenzflächen auftreten. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung ziehen sich die Elektroden gegenseitig an und üben eine Kraft auf das Dielektrikum aus, wobei dieses aufgrund der gegebenen Inkompressibilität seitlich ausweicht. Da das Volumen der verwendeten Materialien stets konstant bleibt, nimmt damit die Querschnittsfläche des DEA zu, während die Höhe des Aktors abnimmt.

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Herausforderungen bis zur industriellen Anwendbarkeit

Da sich die einzelnen Schichtdicken in der Größenordnung von einigen µm befinden, ergibt sich bei einem einzelnen DEA-Element des eben beschriebenen Aufbaus lediglich ein mikroskopischer Effekt bezüglich der Höhenänderung beziehungsweise der Kontraktion. Um einen makroskopischen Effekt analog zum menschlichen Muskel zu erhalten, werden mehrere DEA-Elemente aufeinander gestapelt und elektrisch parallel verschaltet, wodurch bei Anlegen der Spannung eine sichtbare Kontraktion des Stapelaktors resultiert. Ein künstlicher Muskel besteht folglich nach dem Vorbild des menschlichen Muskels aus einer Vielzahl mechanisch in Reihe geschalteter kontraktiler Elemente. Die sich daraus ergebenden Aktorstapel lassen sich wiederum parallel betreiben, um aus einer standardisierten Stapelaktorgröße durch Bündelung Stellglieder für unterschiedlichste Aufgaben generieren zu können.

Notwendig ist eine leistungsfähige Steuerungshardware

Da die Fertigung von Stapelaktoren mit mehreren tausend Lagen ein hohes Maß an Automatisierung voraussetzt, sind zunächst Herstellungsverfahren von viellagigen Stapelaktoren weiterzuentwickeln. Mit der Aerosol-Jet-Drucktechnologie wird hier ein mögliches Verfahren erforscht, welches den Aufbau komplex strukturierter, auf Silikon basierter Stapelaktoren mit homogenen Schichtdicken von 10 µm bis 50 µm erlaubt. Auch andere Drucktechnologien, wie beispielsweise der Schablonendruck, werden bezüglich ihrer Eignung zum Aufbau von DEA-Stapeln untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt in der Entwicklung der künstlichen Muskeln muss auf leichtbauende Leistungselektronik und Sensorik gesetzt werden. Notwendig ist eine leistungsfähige Steuerungshardware, die aus einem Verbund von Mikrocontrollern und FPGAs besteht und eine mathematisch komplexe Ansteuerung energieeffizient in Echtzeit durchführen kann.

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