研究人员施加电压后，聚合物薄膜立即开始移动。这种超薄膜仅有50微米厚，与人类头发的粗细相仿。通过调节施加的电压，保罗·莫茨基教授团队的研究人员可以使薄膜产生强劲的脉动，以所需的频率或振幅振动，以轻柔的波浪运动上下起伏，或保持固定位置。这看似简单的小把戏，实际上是新型微型致动器的基础。.
由于这种薄膜的运动可以被精确控制，因此可以用来施加局部推拉力，产生原本需要电机或压缩空气系统才能实现的运动——而电机和压缩空气系统都需要空间、能源和维护。萨尔布吕肯的研究团队正在将这些智能薄膜集成到真空泵中，用于从腔室中抽取空气或液体。真空泵在工业应用中无处不在，从包装机械和机器人抓取器到医疗技术，都不可或缺。.
无需压缩空气或电机即可产生真空：
萨尔布吕肯正在开发的薄片技术无需笨重的部件，即可实现轻巧紧凑的泵设计。 “通过使用介电弹性体——这种电响应聚合物薄片——我们可以根据特定需求定制泵的几何形状。这意味着我们可以制造出传统方法无法实现的形状。例如，我们可以生产出与智能手机形状相当的超薄扁平设计，”萨尔兰大学智能材料系统教授、萨尔布吕肯机电一体化与自动化技术中心 (ZeMA) 科学主任兼总经理保罗·莫茨基 (Paul Motzki) 表示。基于薄片的泵能够在紧凑且对性能要求极高的环境中可靠运行。介电弹性体技术的关键优势在于它不需要铜或稀土元素等昂贵或难以获取的材料。而且，由于它无需润滑油即可运行，因此非常适合洁净室和无菌环境。“根据运行模式的不同，我们的隔膜泵还可以非常节能，”莫茨基说道。此外，他们的泵运行非常安静，这一优势可以显著降低生产车间和装配线的背景噪音水平。
使用的薄膜驱动器越多，功率输出就越大。
在今年的汉诺威工业博览会上，保罗·莫茨基的团队展示了一款新的原型机，说明了他们的技术如何规模化应用。他们最新的真空泵原型机配备了双驱动装置。去年，该团队展示了一款单膜驱动、单泵腔的原型机。今年，他们展示了一款双驱动原型机，该原型机在两个泵腔中分别配备了两个薄膜驱动器。“我们可以将两个驱动器并联或串联，从而提高压力、体积流量和总功率，”莫茨基解释道。
这两个基于隔膜的驱动装置可以反向运行，一侧处于吸入模式，另一侧则处于排出模式。这可以防止性能下降，使泵能够提供更高的流量和更大的压力容量，从而快速且无需循环即可产生连续真空。这种新型双执行器设计显著提高了性能。单腔泵能够达到约 300 mbar 的绝对压力，而新系统可以在低于 200 mbar 的绝对压力下运行。“我们还可以根据应用需求，串联或并联额外的隔膜，以进一步调整和提升性能，”Motzki 说道。.
迈向工业化应用的又一步
“我们新版本的泵标志着我们向工业应用又迈进了一步，” 保罗·莫茨基说道。他和他的团队多年来在各种研究项目中致力于开发介电弹性体技术。介电弹性体是一种双面涂覆有高柔性导电层的薄聚合物薄膜。当研究人员对弹性体聚合物薄膜施加电压时，这些导电层会相互吸引，从而压缩薄膜并使其横向膨胀，增加其表面积。 “通过改变电场，我们可以非常精确地控制弹性体薄膜的运动，使其进行连续可变的弯曲运动，或以特定的频率和振幅进行脉冲或弯曲，”莫茨基解释道。此外，他们还可以使薄膜保持固定位置，而无需持续供电，因为介电弹性体仅在主动运动时才会消耗能量。萨尔布吕肯的研究人员正在将这种薄膜用作机械驱动器：一种无需额外传感器的微型电机。
“这些薄膜具有自感应性，”保罗·莫茨基说道。这种自敏性是介电弹性体固有的特性：即使是最轻微的移动也会改变薄膜的测量电容。薄膜的每一次形变都会产生一个特征测量信号，工程师可以利用该信号精确量化薄膜在任何给定时刻的空间构型。通过将电容数据与基于人工智能的机器学习相结合，该团队开发了一种控制单元，能够预测和编程运动序列，从而精确控制弹性体薄膜的形变方式。同样的数据也可用于状态监测：例如，它可以指示是否有异物堵塞泵，或者是否尚未达到安全真空度。
除了开发无电机真空泵外，Motzki 的团队还将这项技术应用于其他广泛的领域，从机器人抓手和扬声器到智能纺织品和智能手机屏幕的触觉反馈系统。例如，该团队开发了一种智能工业手套，可以响应操作者的手部和手指动作，并将这些信息传输到计算机。
在汉诺威工业博览会上，该研究团队正在寻找合作伙伴，共同开发能够将他们的片状泵技术推向市场的应用。
背景：
介电弹性体技术在众多硕士和博士研究项目中持续得到探索和发展。研究成果已发表在各类科学期刊上。该研究也获得了包括欧盟和德国研究基金会（DFG）在内的众多机构的支持。萨尔州政府通过欧洲区域发展基金（FEDER）的iSMAT和Multi-Immerse项目提供了资金支持。此外，萨尔州冶金和电气工业协会（ME Saar）也提供了额外资助。
为了促进研究成果向商业和工业领域的转化，萨尔州大学的研究人员成立了mateligent GmbH公司，该公司也将在今年的汉诺威工业博览会上亮相。
