Im amerikanischen Actionfilm „Pacific Rim“ kämpfen riesige Roboter namens „Jaegers“ gegen unbekannte Monster, um die Menschheit zu retten. Diese Roboter sind mit künstlichen Muskeln ausgestattet, die echte lebende Körper nachahmen und Monster mit Kraft und Geschwindigkeit besiegen. Es wird daran geforscht, echte Roboter mit künstlichen Muskeln auszustatten, wie sie im Film gezeigt werden. Die starke Kraft und die hohe Geschwindigkeit in künstlichen Muskeln können jedoch nicht verwirklicht werden, da die mechanische Festigkeit (Kraft) und Leitfähigkeit (Geschwindigkeit) des Polymerelektrolyten – die Schlüsselmaterialien, die den Aktuator antreiben – widersprüchliche Eigenschaften haben.
Ein POSTECH-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Moon Jeong Park, Professor Chang Yun Son und Forschungsprofessor Rui-Yang Wang von der Fakultät für Chemie hat ein neues Konzept eines Polymerelektrolyten mit verschiedenen funktionellen Gruppen entwickelt, die sich in einem Abstand von 2 Å befinden. Dieser Polymerelektrolyt ist sowohl zu ionischen als auch zu Wasserstoffbindungswechselwirkungen in der Lage, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, diese Widersprüche aufzulösen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden kürzlich in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.
Künstliche Muskeln werden verwendet, um Roboter dazu zu bringen, ihre Gliedmaßen so natürlich zu bewegen, wie es Menschen können. Um diese künstlichen Muskeln anzutreiben, ist ein Aktuator erforderlich, der unter Niederspannungsbedingungen eine mechanische Umwandlung zeigt. Aufgrund der Art des im Aktuator verwendeten Polymerelektrolyten konnten jedoch Kraft und Geschwindigkeit nicht gleichzeitig erreicht werden, da eine zunehmende Muskelkraft die Schaltgeschwindigkeit verlangsamt und eine zunehmende Geschwindigkeit die Kraft verringert.
Um die bisher vorgestellten Einschränkungen zu überwinden, führte die Forschung das innovative Konzept des bifunktionellen Polymers ein. Durch die Bildung eines mehrere Nanometer breiten eindimensionalen Ionenkanals innerhalb der glasharten Polymermatrix wurde ein superionischer Polymerelektrolyt mit hoher Ionenleitfähigkeit und mechanischer Festigkeit erreicht.
Die Erkenntnisse aus dieser Studie haben das Potenzial, Innovationen in der Soft-Robotik und tragbaren Technologie zu schaffen, da sie auf die Entwicklung eines beispiellosen künstlichen Muskels angewendet werden können, der eine tragbare Batterie (1,5 V) verbindet, ein schnelles Schalten von mehreren Millisekunden (Tausendstelsekunden) erzeugt ) und große Kraft. Darüber hinaus wird erwartet, dass diese Ergebnisse in elektrochemischen Festkörpergeräten der nächsten Generation und hochstabilen Lithium-Metall-Batterien angewendet werden.
Rui‐Yang Wang et al, Superionic Bifunctional Polymer Electrolytes for Solid‐State Energy Storage and Conversion, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202203413
Bereitgestellt von der Pohang University of Science & Technology (POSTECH)