Gerüststruktur mit nanoskopischer Isolierung ermöglicht Bauteile für Softrobotik und flexible Elektronik

Klassische Roboter, wie sie in der Fertigung eingesetzt werden, können schwere Lasten heben und automatisierte Prozesse präzise wiederholen. Aber sie sind zu starr und sperrig für heikle Arbeiten und Interaktionen mit Menschen. Das Forschungsfeld Softrobotik arbeitet an der Entwicklung von Robotern aus weichen, organischen Materialien und flexiblen technischen Komponenten. Materialforscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben jetzt ein neuartiges weiches leitfähiges Material entwickelt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen weichen Leitern zeigt es bemerkenswert stabile elektrische Eigenschaften, selbst bei Verformung. Grund dafür ist die spezielle Struktur des Materials und eine nanoskopische isolierende Dünnfilmbeschichtung. Seine Ergebnisse veröffentlichte das Forschungsteam in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

Konstanter elektrischer Widerstand auch während der Verformung

Im Gegensatz zu klassischen Robotern können Menschen und Tiere flüssige und feine Bewegungen ausführen und sich an ihre Umgebung anpassen. Inspiriert von der Natur setzt Soft Robotics daher auf elastische, organische Materialien aus Kohlenstoff statt auf herkömmliche, starre Metalle. Darüber hinaus benötigen weiche Roboter elastische elektrische Leiter für die Kommunikation zwischen ihren Sensoren und Aktoren.

„Herkömmliche Leiter aus Metall leiten den Strom natürlich gut, aber für flexible Bauteile sind sie zu starr. Bei Verformung ändern sie ihren elektrischen Widerstand, was sich auf ihren Einsatz in der Soft-Robotik auswirkt“, sagt Dr. Fabian Schütt, Leiter des Nachwuchses Forschungsgruppe Multiscale Materials Engineering am Lehrstuhl für Funktionelle Nanomaterialien der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

Dagegen bleibt der Widerstand des Materials, das Schütt zusammen mit Kollegen vom Institut für Materialwissenschaft der Universität Kiel entwickelt hat, bei Verformung konstant. „Sowohl die anfänglichen elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften bleiben bei Dauerbelastung auch nach 2000 Zyklen bei 50 Prozent Kompression erhalten“, sagt Igor Barg, Doktorand am Lehrstuhl für Mehrkomponentenwerkstoffe und Erstautor des Artikels.

Durch die Kombination unterschiedlicher Expertisen innerhalb des Forschungsschwerpunkts KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben sie ein Material aus feinen Drähten geschaffen, das wie ein dunkler Schwamm aussieht. Die Drähte bestehen aus miteinander verbundenen Mikroröhrchen aus einem elektrisch leitfähigen Polymer. Diese filigrane Netzstruktur macht das Material ultraleicht und gleichzeitig extrem elastisch.

Nanoskopischer Isolationsfilm schützt die elektrischen Eigenschaften des Materials

„Dehnbare, schwammartige Leiter werden bereits seit einigen Jahren erforscht. Sobald sie jedoch verformt werden, ändert sich aufgrund des sogenannten piezoresistiven Effekts auch ihr Widerstand“, erklärt Barg. Um diesen Effekt zu vermeiden, beschichtete das Team sein Material mit einem nicht leitenden, nanoskopischen dünnen Film aus Polytetrafluorethylen (PTFE).

„Man kann es sich wie ein klassisches Stromkabel vorstellen“, sagt Barg. Die Schicht verhindert, dass die Drähte beim Komprimieren direkt miteinander in Kontakt kommen und neue elektrisch leitende Pfade entstehen. Dadurch bleibt der Widerstand auch bei großen Verformungen konstant. Die Isolation verbessert zudem die mechanische Stabilität der Adern und schützt ihre elektrischen Eigenschaften vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit.

Um diese hochporöse Gerüststruktur zu beschichten, bedarf es einer speziellen Technik. Dr. Stefan Schröder ist Leiter der Nachwuchsforschungsgruppe Funktionelle CVD-Polymere am Lehrstuhl für Mehrkomponentenwerkstoffe und beschäftigt sich mit der initiierten chemischen Gasphasenabscheidung (iCVD).

Dadurch ist es möglich, auch Materialien mit komplexen Strukturen und Oberflächen konform zu beschichten: Das Zusammenbringen verschiedener Gase in einem Reaktor löst eine chemische Reaktion aus und auf dem zu beschichtenden Material beginnt ein dünner Polymerfilm zu wachsen. „Da diese Beschichtung nur wenige Nanometer dünn ist, bleiben die Drähte elastisch und das Gesamtgewicht des Materials nimmt kaum zu“, erklärt Schröder.

Auch Anwendungen in der Medizintechnik sind denkbar

„Dieses Beispiel zeigt sehr gut, wie wir durch nanoskalige Beschichtung die Eigenschaften unserer bis zu mehreren Kubikzentimeter großen Gerüststrukturen gezielt verändern und sogar ganz neue Funktionen schaffen können“, sagt Schütt.

„Durch die Kombination unserer Methoden könnten in Zukunft weitere, auch kommerzielle Anwendungen möglich sein, beispielsweise in der Medizintechnik oder der Energiespeicherung“, ergänzt Schröder. Diese Möglichkeiten wollen sie nun in weiteren gemeinsamen Forschungsprojekten untersuchen.