Neues ferroelektrisches Material könnte Robotern Muskeln verleihen

Eine neue Art von ferroelektrischem Polymer, das elektrische Energie außergewöhnlich gut in mechanische Spannung umwandelt, verspricht laut a einen leistungsstarken Bewegungscontroller oder „Aktuator“ mit großem Potenzial für Anwendungen in medizinischen Geräten, fortschrittlicher Robotik und Präzisionspositionierungssystemen Team internationaler Forscher unter der Leitung von Penn State.

Mechanische Spannung, also die Art und Weise, wie ein Material seine Form ändert, wenn Kraft ausgeübt wird, ist eine wichtige Eigenschaft für einen Aktuator, d. Traditionell waren diese Aktormaterialien starr, aber weiche Aktoren wie ferroelektrische Polymere weisen eine höhere Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die Umwelt auf.

Die Forschung zeigte das Potenzial ferroelektrischer Polymer-Nanokomposite zur Überwindung der Einschränkungen herkömmlicher piezoelektrischer Polymerkomposite und bietet einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung weicher Aktuatoren mit verbesserter Dehnungsleistung und mechanischer Energiedichte. Weiche Aktuatoren sind aufgrund ihrer Stärke, Kraft und Flexibilität besonders für Robotikforscher interessant.

„Möglicherweise können wir jetzt eine Art weiche Robotik haben, die wir als künstliche Muskeln bezeichnen“, sagte Qing Wang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Penn State University und Mitautor der kürzlich veröffentlichten Studie Naturmaterialien. „Das würde es uns ermöglichen, weiche Materie zu haben, die neben einer großen Belastung auch eine hohe Belastung tragen kann. Das Material wäre dann eher eine Nachahmung des menschlichen Muskels, etwas, das dem menschlichen Muskel nahe kommt.“

Allerdings müssen einige Hindernisse überwunden werden, bevor diese Materialien ihr Versprechen halten können. In der Studie wurden mögliche Lösungen für diese Hindernisse vorgeschlagen. Ferroelektrika sind eine Klasse von Materialien, die eine spontane elektrische Polarisation zeigen, wenn eine externe elektrische Ladung angelegt wird und positive und negative Ladungen in den Materialien in unterschiedliche Pole wandern. Spannungen in diesen Materialien während des Phasenübergangs, in diesem Fall der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, können Eigenschaften wie ihre Form vollständig verändern und sie als Aktoren nützlich machen.

Eine häufige Anwendung eines ferroelektrischen Aktors ist ein Tintenstrahldrucker, bei dem elektrische Ladung die Form des Aktors ändert, um die winzigen Düsen präzise zu steuern, die Tinte auf das Papier auftragen, um Text und Bilder zu erzeugen.

Während es sich bei vielen ferroelektrischen Materialien um Keramiken handelt, kann es sich auch um Polymere handeln, eine Klasse natürlicher und synthetischer Materialien, die aus vielen ähnlichen, miteinander verbundenen Einheiten bestehen. Beispielsweise ist DNA ein Polymer, ebenso wie Nylon. Ein Vorteil ferroelektrischer Polymere besteht darin, dass sie einen enormen Anteil der durch ein elektrisches Feld induzierten Spannung aufweisen, die für die Betätigung erforderlich ist. Diese Belastung ist viel höher als die, die von anderen ferroelektrischen Materialien, die für Aktoren verwendet werden, wie z. B. Keramik, erzeugt wird.

Diese Eigenschaft ferroelektrischer Materialien, zusammen mit einem hohen Maß an Flexibilität, geringeren Kosten im Vergleich zu anderen ferroelektrischen Materialien und geringem Gewicht, stößt bei Forschern auf dem wachsenden Gebiet der Soft-Robotik, dem Design von Robotern mit flexiblen Teilen und Elektronik, auf großes Interesse.

„In dieser Studie haben wir Lösungen für zwei große Herausforderungen im Bereich der Betätigung weicher Materialien vorgeschlagen“, sagte Wang. „Eine davon besteht darin, die Kraft weicher Materialien zu verbessern. Wir wissen, dass weiche Betätigungsmaterialien, also Polymere, die größte Belastung aufweisen, aber im Vergleich zu piezoelektrischen Keramiken viel weniger Kraft erzeugen.“

Die zweite Herausforderung besteht darin, dass ein Aktuator aus ferroelektrischem Polymer typischerweise ein sehr hohes Antriebsfeld benötigt, also eine Kraft, die eine Änderung im System bewirkt, beispielsweise die Formänderung eines Aktuators. In diesem Fall ist das hohe Antriebsfeld erforderlich, um die Formänderung im Polymer zu erzeugen, die für die ferroelektrische Reaktion erforderlich ist, um zu einem Aktuator zu werden.

Die vorgeschlagene Lösung zur Verbesserung der Leistung ferroelektrischer Polymere bestand in der Entwicklung eines perkolativen ferroelektrischen Polymer-Nanokomposits – einer Art mikroskopischer Aufkleber, der am Polymer befestigt ist. Durch den Einbau von Nanopartikeln in eine Art Polymer, Polyvinylidenfluorid, schufen die Forscher ein miteinander verbundenes Netzwerk aus Polen innerhalb des Polymers.

Dieses Netzwerk ermöglichte die Induktion eines ferroelektrischen Phasenübergangs bei viel geringeren elektrischen Feldern, als dies normalerweise erforderlich wäre. Dies wurde durch eine elektrothermische Methode mit Joule-Heizung erreicht, die auftritt, wenn elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt, Wärme erzeugt. Die Verwendung der Jouleschen Erwärmung zur Auslösung des Phasenübergangs im Nanokompositpolymer führte dazu, dass nur weniger als 10 % der Stärke eines elektrischen Feldes benötigt wurden, das normalerweise für den ferroelektrischen Phasenwechsel erforderlich ist.

„Typischerweise korrelieren diese Spannung und Kraft in ferroelektrischen Materialien in einem umgekehrten Verhältnis zueinander“, sagte Wang. „Jetzt können wir sie in einem Material integrieren und haben einen neuen Ansatz entwickelt, um es mithilfe der Joule-Erwärmung anzutreiben. Da das Antriebsfeld viel geringer sein wird, weniger als 10 %, ist dies der Grund, warum dieses neue Material verwendet werden kann.“ für viele Anwendungen, die ein niedriges Antriebsfeld erfordern, um effektiv zu sein, wie zum Beispiel medizinische Geräte, optische Geräte und Soft-Robotik.“