Künstlicher Muskel: Neue Plattformtechnologie erzielt herausragende Ergebnisse

Das Reißen hat ein Ende

Dünne Elektrodenschicht aus flexiblen Carbonnanofibrillen, eingebettet im dielektrischen Silikonelastomer Bild: Fraunhofer IWS Dresden
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Mit einem Elastomer, das gleichzeitig sowohl elektrisch isolierend als auch elektrisch leitend sein kann, könnte man künstliche Muskeln aufbauen. Dresdner Forscher haben einen solchen Werkstoff entwickelt, mit Hilfe von Carbon-Nanofibrillen.

Dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA’s) gelten als eine große Hoffnung für die Herstellung künstlicher Muskeln und könnten an vielen Stellen als ressourcenschonende technologische Alternative für Elektromotoren, Pneumatiken oder hydraulische Antriebe eingesetzt werden. DEA’s sind vom Prinzip her sehr einfach aufgebaut. Zwischen zwei flächig mit Metallen beschichteten Oberflächen – den Elektroden – liegt ein elektrisch isolierendes Dielektrikum aus elastomeren Materialien, zum Beispiel Gummi. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung entsteht ein elektrostatischer Druck, der das weiche Gummimaterial zur Dehnung zwingt.

Genau in dieser Materialkombination besteht in der Praxis eine große Herausforderung, die seit vielen Jahren den breiten technologischen Einsatz solcher DEA’s immer wieder verhindert: Die wenig dehn- und streckbaren, elektrisch leitenden metallischen Schichten reißen auf dem weichen Gummimaterial bei Dehnungen sehr schnell und werden damit zerstört. Bislang konnte man diesem Problem nur mit kostenintensiven und hochkomplexen Maßnahmen begegnen.
Forscher des Fraunhofer-Institutes für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden, des Fraunhofer-Institutes für Keramische Technologien und Systeme IKTS Dresden und der TU Dresden haben sich deshalb die Frage gestellt: Gibt es einen radikal neuen, insbesondere einfachen und auch technologisch gangbaren Weg, der all die beschriebenen Nachteile auf einen Schlag behebt? Und sie hatten eine verblüffend einfache Idee: Warum ersetzt man die Metallschicht nicht einfach durch eine elektrisch leitende Gummischicht und umgeht auf diese Weise die schon beschriebene Inkompatibilität zwischen den metallischen Elektroden und dem dielektrischen Gummikörper?
Bisher gab es jedoch kein kommerziell erhältliches Elastomer, das gleichzeitig sowohl elektrisch isolierend als auch elektrisch leitend sein kann. Mit einem Trick gelang es den Dresdner Forschern, ein elastomeres, elektrisch leitendes Gummimaterial zu erzeugen. Sie mischten winzige Mengen elektrisch leitfähiger Carbon-Nanofibrillen in ein Elastomer, welches nahezu identische Dehneigenschaften aufwies wie das elektrisch isolierende Gummimaterial. Durch die Zugabe der Nanofibrillen wird das Elastomer leitfähig. Ein mit diesem leitfähigen Material beschichteter isolierender Gummikörper versagte in Dehnversuchen auch nach Millionen von Zyklen nicht.
Nach diesem Erfolg war der Bau von technisch einsetzbaren Aktoren der logische nächste Schritt für das Forscherkonsortium. In kürzester Zeit und unter Nutzung industrieller Standardtechnologien gelang es dem Team, dielektrische Elastomer-Aktoren aufzubauen. Sie bestehen aus einer Vielzahl an wechselweise leitfähigen und isolierenden Elastomerschichten, jede jeweils nur 0,03 mm dick. Dabei wurde auch der Nachweis der Einsetzbarkeit von Dickschicht- und Drucktechniken sowie großflächiger Rolle-zu-Rolle-Technologien geführt. Die Testergebnisse eines so hergestellten Multilagen-Ring-Aktors aus 11 aktiven Schichten und einer aktiven Fläche von 465 cm² sind vielversprechend: Lineare Dehnungen im Prozentbereich und gleichzeitig beachtliche Kräfte von etwa 100 N wurden erzielt. Auch nach 140 000 Betriebszyklen ist der Ring-Aktor noch voll einsatzbereit.
Insgesamt stellen die vom Konsortium entwickelten Material- und Beschichtungstechniken eine attraktive und kostengünstige Plattform- und Querschnittstechnologie dar, welche in absehbarer Zeit den Einsatz aktorisch-aktiver Strukturen in vielen technologischen Feldern ermöglichen. Ebenso ist auch der Einsatz in benachbarten Feldern wie der Sensorik und dem Energy Harvesting denkbar.
Die vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des Projektes „Candela“ erzielt. Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 13N10661 und 13N10660 gefördert und vom Projektträger VDI Technologiezentrum GmbH (VDI-TZ), Abteilung EINS, Bereich ‚Nanotechnologien‘ betreut.
Weitere Informationen: Projekt Candela Ansprechpartner: Dr. Oliver Jost Tel.: (0351) 83391 3477 E-Mail: oliver.jost@iws.fraunhofer.de
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