Elektrostatische Aktuatoren sind einfache und leichte Geräte, die menschliche Muskeln emulieren. Ihre Verwendung war jedoch hauptsächlich auf das Bewegen kleiner Geräte beschränkt, da sie hohe Spannungen benötigen, um erhebliche Kräfte zu erzeugen. Jetzt ist es jedoch möglich, elektrostatische Aktuatoren in künstlichen Muskeln zu verwenden, dank Forschungen des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), die ferroelektrische Materialien verwenden, um einen elektrostatischen Aktuator zu schaffen, der eine starke Kraft bei einer niedrigen Antriebsspannung erzeugen kann.
Elektrostatische Aktuatoren sind Geräte, die elektrische Felder verwenden, um Objekte zu bewegen. Diese Geräte bestehen aus zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden, die eine Kraft erzeugen, wenn sich zwischen ihnen ein elektrisches Feld entwickelt. Durch die Veränderung der Form ihrer Elektroden und das Füllen der Lücke zwischen ihnen mit flexiblen, weichen Materialien wurden verschiedene Konfigurationen für elektrostatische Aktuatoren entwickelt, bei denen die Kraft der von arbeitenden Muskeln nachempfunden werden kann.
Die von elektrostatischen Aktuatoren erzeugte Kraft hängt von der an ihre Elektroden angelegten Spannung und den an der Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem dielektrischen Material akkumulierten Ladungen ab. Um ausreichende Kräfte zur Unterstützung menschlicher Bewegungen und Aktivitäten zu erzeugen, müssen diese Geräte daher mit einer hohen Spannung versorgt werden, die für den Körper gefährlich sein kann.
Mit dem Ziel, die von Aktuatoren erzeugte Kraft zu erhöhen und gleichzeitig die Spannung niedrig zu halten, haben Professor Suzushi Nishimura und sein Team von Tokyo Tech die akkumulierte Ladung durch die Verwendung von ferroelektrischen Materialien erhöht, die spontan polarisieren.
Die Studie, die eine Zusammenarbeit zwischen Forschern der Tokyo Tech und der ENEOS Corporation, Japan, war, wurde in veröffentlicht Fortgeschrittene Physikforschung.
Wenn ferroelektrische Materialien einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, tritt eine Ladungstrennung (Polarisation) auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen paraelektrischen Materialien behalten Ferroelektrika jedoch ihre Polarisation auch nach dem Entfernen des elektrischen Felds bei, was es ihnen ermöglicht, eine hohe Anzahl akkumulierter Ladungen bei einer niedrigen Spannung aufrechtzuerhalten.
Da außerdem die Polarisation ferroelektrischer Materialien unabhängig von der Spannung ist, ist die erzeugte Kraft linear proportional zur angelegten Spannung (Abbildung 1). „Ferroelektrische Medien sind gewöhnlichen paraelektrischen Medien zur Verwendung in elektrostatischen Aktuatoren in zweierlei Hinsicht überlegen. Zum einen können sie eine höhere Kraft erzeugen, indem sie selbst bei niedriger Spannung eine große Polarisation aufrechterhalten, und zum anderen ist ihr Spannungsverhalten nahezu linear, was zur Folge hat in einer guten Steuerbarkeit des Geräts“, erklärt Prof. Nishimura.
Als ferroelektrisches Material verwendeten die Forscher Flüssigkristalle in der speziellen nematischen Phase (dh einer Phase, in der die Längsachsen der Moleküle in parallelen Linien, aber nicht in Schichten angeordnet sind). Es wurde festgestellt, dass das Material bei Raumtemperatur wie eine Flüssigkeit fließen kann, während es eine stäbchenförmige Molekülstruktur wie die von festen Kristallen besitzt – notwendige Eigenschaften, die diesen Materialien ein großes Dipolmoment (d. h. die Größe der Polarisation) und die erforderliche Fließfähigkeit verleihen für ihre Verwendung in künstlichen Muskeln.
In Tests wurde festgestellt, dass der ferroelektrische Flüssigkristall Kräfte über Elektroden erzeugt, die 1.200-mal höher waren als die von herkömmlichen paraelektrischen Materialien wie Isolierölen. Mit den ferroelektrischen Flüssigkristallen und einer 3D-gedruckten doppelhelikalen Spulenelektrode entwickelten die Forscher einen elektrostatischen Aktuator, der in der Lage ist, bei niedrigen Spannungen eine Kontraktion und Ausdehnung zu erzeugen – wie es Muskeln tun würden (Abbildung 2).
„Als wir ein elektrisches Feld von 0,25 MV m-1 anlegten, zog sich das Gerät um 6,3 mm zusammen, was etwa 19 % seiner ursprünglichen Länge entspricht“, sagt Prof. Nishimura. „Die visuelle Beobachtung zeigte, dass sich das Gerät bewegt, wenn eine Spannung von 20 V angelegt wird. Das bedeutet, dass sogar eine Trockenbatterie den vorliegenden Aktuator mit Strom versorgen kann.“
Diese Ergebnisse zeigen, dass ferroelektrische Materialien mit spontaner Polarisation vielversprechend für die Entwicklung elektrostatischer Aktuatoren sind, die für künstliche Muskeln geeignet sind. Die Forscher planen nun, die Viskoelastizität des Flüssigkristallmaterials zu optimieren, um die Funktion des elektrostatischen Aktuators weiter zu verbessern.
Mehr Informationen:
Suzushi Nishimura et al, Absenken der Antriebsspannung elektrostatischer Aktuatoren und Erhöhen der erzeugten Kraft durch spontane Polarisation ferroelektrischer nematischer Flüssigkristalle, Fortgeschrittene Physikforschung (2022). DOI: 10.1002/ca.202200017