Multifunktionale dielektrische Elastomer-Elektronik für nachgiebige Roboter der nächsten Generation

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ernst-Friedrich Markus Vorrath
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418669083

Herkömmliche Roboter bestehen in der Regel aus schweren und starren Bauteilen wie Motoren, Getrieben und Strukturelementen, die aus steifen Materialien bestehen. Obwohl sie komplexe Bewegungen und Prozesse ausführen können, sind sie größtenteils nicht in der Lage, Bewegungen nach biologischen Vorbildern zu erzeugen. Vollständig nachgiebige Roboter mit tierähnlichem Verhalten eröffnen völlig neue Perspektiven und Anwendungen. Das Projekt MEiTNER untersucht multifunktionale dielektrische Elastomere (DEs), sogenannte künstliche Muskeln. Ziel ist es, diesen DEs eine integrierte Signalverarbeitung in Form von DE-Elektronik zu ermöglichen, welche ausschließlich aus polymeren Werkstoffen und Kohlenstoff bestehen soll. Hierdurch entsteht eine vollkommen neue Klasse nachgiebiger Elastomer-Elektronik. Somit können vollständig nachgiebige Roboter autonom ohne die Notwendigkeit konventioneller, steifer und Silizium-basierter Elektronik gesteuert werden. Die neuartige, nachgiebige DE-Elektronik soll direkt auf den DE-Membranen mit nachgiebigen Elektroden realisiert werden. Diese Elektroden sollen unterschiedliche elektrische Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität und Piezoresistivität aufweisen. Sämtliche Komponenten bestehen nur aus Mischungen von Polymeren und leitfähigen Füllstoffen. Um die Funktionalität der entwickelten Prozesse und elektrischen Komponenten zu validieren, werden Untersuchungen zur Weiterentwicklung der nachgiebigen, biomimetischen Robotik durchgeführt. Dadurch soll das Potenzial von multifunktionalen DEs aufgezeigt werden. Diese Roboterstrukturen basieren auf nachgiebigen mechanischen Strukturen mit verteilten dielektrischen Sensor-, Aktor- und Signalverarbeitungsknoten, die in der gesamten nachgiebigen Struktur eingebettet und verteilt werden sollen.Innerhalb dieser Nachwuchsforschergruppe werden biomimetische Ansätze für verschiedene Aufgaben wie z.B. Fortbewegung, Flügelschlag oder Unterwasserantrieb und damit verbundene Schnittstellen zur Umwelt wie Elemente mit gerichteter Reibung oder elektroadhäsive Strukturen entwickelt. Eine zweite Forschungsrichtung untersucht den Einsatz nachgiebiger, multifunktionaler DEs im Bereich Mensch-Maschine-Interaktion in der kollaborativen Robotik, Industrie und Medizin. Mit den im Projekt entwickelten Technologien, der DE-Elektronik und Software-Entwurfswerkzeugen sollen Anwendungsmöglichkeiten untersucht werden, in denen nachgiebige, multifunktionale Strukturen als konforme Schnittstellen für Maschinenbediener, Medizinprodukte und industrielle Anwendungen, wie nachgiebige Greifer eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Neuseeland
• Kooperationspartner: Professor Iain Anderson, Ph.D.