Ein Forschungsteam um die Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki an der Universität des Saarlandes nutzt eine äußerst vielseitige Folie, die kaum dicker ist als handelsübliche Frischhaltefolie, um Objekten neue Funktionen zu verleihen und dabei Energie zu sparen. In tragbaren Textilien eingesetzt, kann diese Folie sich bewegen und gegen die Haut drücken. Dadurch entsteht haptisches Feedback, das das Virtual-Reality-Spielerlebnis verbessert, indem Spieler Texturen, Stöße und andere physikalische Empfindungen spüren können. Integriert in einen Industriehandschuh, reagiert die dünne Polymerfolie auf die Hand- und Fingerbewegungen des Trägers und ermöglicht es einem Computer, spezifische Handbewegungen und Gesten zu „verstehen“. Auf ein flaches Glasdisplay aufgebracht, erzeugt die Folie unter dem Finger des Nutzers die kurzzeitige Empfindung eines Berührungsknopfes, Schalters oder Schiebereglers. Leichte Lautsprecher, die deutlich weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Modelle, neuartige Signalgeneratoren und geräuschdämpfende Textilien sind nur einige der weiteren Prototypen, die von Experten für intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes und dem Saarbrückener Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) entwickelt werden.
Doch wie werden diese Folien zum Leben erweckt? „Jede Seite der Folie ist mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet“, erklärt Paul Motzki, Professor für Intelligente Materialsysteme für Innovative Produktion an der Universität des Saarlandes und wissenschaftlicher Leiter sowie CEO von ZeMA. Legen die Forscher eine elektrische Spannung an die Polymerfolie an, ziehen sich diese leitfähigen Schichten gegenseitig an, komprimieren das Polymer und bewirken dessen seitliche Ausdehnung, wodurch sich seine Oberfläche vergrößert. „Durch Variation des angelegten elektrischen Feldes können wir die Bewegung der Folie steuern und so im Prinzip einen leichten, aber hocheffizienten Aktor erzeugen“, so Motzki. Die Forscher können die Bewegung dieser beschichteten Folien, sogenannter dielektrischer Elastomere (DEs), präzise steuern und sie langsame oder schnelle Biegebewegungen ausführen oder mit einer gewünschten Frequenz vibrieren lassen. Alternativ können sie die Folie auch in einer festen Position halten, ohne dass eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist.
Mithilfe dieser elektroaktiven Polymerfilme entwickelt das Forschungsteam neuartige Antriebssysteme (Aktuatoren), die ohne zusätzliche Sensoren gesteuert werden können. „Jeder Verformung oder Positionsänderung des Films kann ein präziser elektrischer Kapazitätswert zugeordnet werden. Die Kapazitätsdaten zeigen uns, wie sich der Film verformt, beispielsweise beim Streichen oder Antippen mit dem Finger. Diese dielektrischen Elastomerfilme sind selbstempfindlich und können als ihre eigenen Positionssensoren fungieren“, erklärt Paul Motzki. Die Messdaten werden außerdem verwendet, um KI-Modelle zu trainieren, mit denen die Forscher die Bewegung des Films programmieren können, um ihn zu biegen, eine gewünschte Form beizubehalten oder mit einer erforderlichen Frequenz zu schwingen.
Das Team in Saarbrücken entwickelt diese dielektrischen Elastomeraktoren weiter und erschließt damit eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete. Die neue Foliengeneration lässt sich präziser steuern und kann mit noch höheren Frequenzen schwingen. Ein Ziel des Teams ist es, diese flexiblen Folien im Ultraschallbereich oszillieren zu lassen. Ein neues Projekt namens TransDES (Transistorstrukturen auf Basis flexibler dielektrischer Elastomersysteme), gefördert vom Saarland aus dem EFRE-Investitionsfonds der EU, will ebenfalls neue Wege beschreiten und elastomere Schaltungen für Hochspannungsanwendungen entwickeln. Leiterplatten (PCBs) finden sich in den meisten elektrischen Geräten. Die Technologie, die diese Geräte – ob Mixer oder Smartphone – steuert, ist üblicherweise auf flache, starre Leiterplatten gelötet. Das Forschungsteam in Saarbrücken arbeitet an der Entwicklung leichter, flexibler Leiterplatten, die zukünftig als kostengünstige und flexible Alternative zu herkömmlichen Leiterplatten eingesetzt werden können. Die in Saarbrücken entwickelten flexiblen Schaltungen sollen zudem mit integrierten Miniaturaktoren und eigenen Sensoren ausgestattet sein.
Das TransDES-Projekt ist eine Kooperation zwischen dem Team von Paul Motzki am ZeMA und dem Team von Professor John Heppe an der htw saar (Hochschule für Angewandte Wissenschaften). Die im Saarland entwickelte Technologie ist weltweit einzigartig und beinhaltet die Herstellung von elastomeren Filmen mit neuartigen Elektrodenschichten.
Bislang wurden elektrisch leitfähige Schichten hergestellt, indem amorphes Kohlenstoffpulver („Ruß“) mittels Siebdruck auf die Ober- und Unterseite der Polymerfolie aufgebracht wurde. Der elektrische Widerstand der Rußschicht beträgt jedoch etwa 10.000 Ohm, was zu hoch ist, wenn die Folie im Ultraschallbereich schwingen soll.
Durch den Austausch der Rußschicht gegen eine ultradünne, leitfähigere Metallbeschichtung wollen die Forscher einen DE-Aktor entwickeln, der sich extrem schnell ein- und ausschalten lässt. „Dadurch können wir die Leistung des Films noch weiter verbessern“, erklärt Doktorand Sebastian Gratz-Kelly. „Selbst bei sehr hohen Frequenzen können wir die gesamte Filmoberfläche steuern, nicht nur einzelne Bereiche.“ Die neue ultradünne Metallbeschichtung sorgt außerdem für einen energieeffizienteren Filmaktor mit geringeren Leistungsverlusten, was unter anderem auf den reduzierten Kontaktwiderstand zwischen Draht und Film zurückzuführen ist. „Wir verwenden zudem eine spezielle Lasertechnik, die es uns ermöglicht, deutlich kleinere Strukturen innerhalb der Beschichtung zu realisieren“, erklärt Gratz-Kelly. „Beim Siebdruckverfahren betrug der Abstand zwischen den Elektroden bisher etwa einen Zentimeter. Jetzt sind es nur noch wenige Mikrometer. Dadurch können wir flexible elastomere Schaltungen entwickeln“, ergänzt Professor Motzki.
Die Herausforderung besteht darin, dass die gesamte Folie stark gedehnt werden muss, die Verformung jedoch durch die neue Metallbeschichtung eingeschränkt wird. Hier setzt das Team von John Heppe an. Heppe, Professor für Physikalische Sensortechnik und Mechatronik an der htw saar, leitet außerdem eine Forschungsgruppe am ZeMA. Die beiden Universitäten arbeiten zusammen, um ihre Forschungsergebnisse in praktische industrielle und kommerzielle Lösungen umzusetzen. Um die Eigenschaften einer festen, leitfähigen Metallschicht mit denen eines flexiblen Polymersubstrats in Einklang zu bringen, verwendet Heppes Team ein spezielles Verfahren zur Abscheidung der Metallschicht auf dem Elastomer. „Wir nutzen ein Materialabscheidungsverfahren namens Sputtern. Die leitfähige Schicht, die wir auf der Oberfläche des Elastomers abscheiden, ist nur zehn Nanometer dick – mehr als tausendmal dünner als ein menschliches Haar“, erklärt Mario Cerino, Wissenschaftler in John Heppes Team.
Der „Trick“ des Teams besteht darin, das Elastomer vor dem Aufbringen der ultradünnen Metallschicht zu dehnen. Jeder, der schon einmal Klebeband auf einen aufgeblasenen Ballon geklebt hat, kennt diesen Effekt. Entweicht die Luft aus dem Ballon, wirft das Klebeband Falten. Dasselbe passiert mit der Elastomerfolie. Beim Entspannen des Elastomers zieht sich die Metallschicht zusammen und bildet Falten. „Dadurch erreichen wir einen Widerstand zwischen 50 und 100 Ohm auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter, was deutlich niedriger ist als bisher“, erklärt Mario Cerino.
Forscher nutzen derzeit metallbeschichtete Filme, um energieeffiziente und kostengünstige Siliziumtransistoren zu entwickeln. Transistoren sind elektronische Bauteile, die elektrische Spannungen und Signale ein- und ausschalten oder verstärken können. In diesem Fall möchte das Team jedoch filmbasierte Transistoren entwickeln, die Hochspannungen schalten können. „Durch die Reduzierung des elektrischen Widerstands können wir den Stromfluss erhöhen, ähnlich wie ein Wasserhahn mehr Wasser durchlässt, je weiter er geöffnet wird. Dies ermöglicht uns Hochspannungsschaltungen mit extrem kurzen Schaltzeiten, die zur Steuerung von Ventilen, Pumpen oder Lautsprechern eingesetzt werden können“, erklärt Mario Cerino. „Wir nutzen eine besondere Eigenschaft dieser Systeme“, erklärt Professor John Heppe. „Wird der metallbeschichtete Film stärker gedehnt als beim Sputtern, entstehen Risse in der Elektrodenschicht, was zu einem starken Anstieg des elektrischen Widerstands führt. Dehnen wir den Film also, entstehen Risse. Entspannen wir den Film wieder, schließen sich die Risse, und die faltige Struktur kehrt zurück.“ „Dadurch können wir von sehr niedrigen Widerständen zu sehr hohen Widerständen übergehen, vergleichbar mit der Verwendung eines Transistors als elektrischen Schalter“, erklärt Professor Heppe.
Eine Demonstration der Technologie zeigt ein neues Sensorelement mit einer metallbeschichteten Folie auf einem Textilarmband. Dieses tragbare Touchpanel ist eine berührungsempfindliche Stoffoberfläche, die darauf gezeichnete Formen erkennt. Streicht man mit dem Finger über diesen intelligenten Stoff, werden Druck und Bewegungsrichtung erfasst. Anschließend ermöglicht der integrierte, fortschrittliche Algorithmus für maschinelles Lernen dem System, die gezeichneten Buchstaben oder Muster zu erkennen.
Die in Saarbrücken ansässigen Experten für intelligente Materialsysteme werden auch andere innovative Entwicklungen vorstellen, die diese dielektrischen Elastomere mit ihren eigenen Sensoren nutzen, wie zum Beispiel intelligente Textilien und Aktuatoren, die haptisches Feedback liefern, energieeffiziente Ventile und Pumpen sowie Hochleistungsaktuatoren.
Das Saarland fördert das TransDES-Projekt mit rund 500.000 € aus Landesmitteln und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
Lesen Sie die neueste Publikation des Teams: https://doi.org/10.3390/ma17235993
Hintergrund:
Die Technologie dielektrischer Elastomere wird von Doktoranden im Rahmen ihrer Dissertationsprojekte unter der Betreuung von Prof. Stefan Seelecke, Prof. Paul Motzki und Prof. John Heppe weiterentwickelt. Die Ergebnisse wurden in verschiedenen Fachzeitschriften veröffentlicht. Die Forschung wurde zudem von zahlreichen Institutionen gefördert. Die EU-Förderung erfolgte über ein Marie-Curie-Stipendium, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) über ihr Schwerpunktprogramm SPP KOMMMA. Die Landesregierung des Saarlandes unterstützte das Projekt durch die FEDER-Projekte iSMAT und Multi-Immerse, und ME Saar (Verband der Metallurgischen und Elektrotechnischen Industrie des Saarlandes) finanzierte ein Promotionsprogramm. Um den Technologietransfer ihrer intelligenten Materialien in die Wirtschaft zu erleichtern, gründeten die Forscher die Firma mateligent GmbH, die auch auf der diesjährigen Hannover Messe am selben Stand ausstellt.
