Intelligente Polymermaterialien als Aktoren und Sensoren für Soft Robotics Anwendungen (IntPoly)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Sabine Ludwigs; Professor Dr.-Ing. Holger Steeb
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498339709

“Intelligent Polymer Materials as Actuators and Sensors for Soft Robotics Applications” (IntPoly) ist ein neues materialwissenschaftliches Projekt aus dem Bereich weicher Materialien, das die momentanen Aktivitäten des SPP2100 “Soft Material Robotics” ergänzen soll. IntPoly basiert auf der interdisziplinären Expertise von Prof. Sabine Ludwigs (Polymerchemie, Materialwissenschaften) und Prof. Holger Steeb (Mechanik, Materialmodellierung) und schlägt die Entwicklung neuartiger intelligenter Doppelschichten sowie 3D gedruckter Architekturen vor, die ihre mechanischen Eigenschaften an externe Felder adaptieren. Die Materialien und Strukturen sollen als Dehnmessstreifen sowie als (versteifende) Aktoren von Elastomerbauteilen eingesetzt werden. Leitfähige Polymere (CPs) wie z.B. Poly(ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) stehen im Vordergrund, da sie als intelligente Materialien aktiv auf elektrische Felder reagieren. Hochdehnbare Materialien werden entwickelt, um sie kompatibel mit Soft Robots zu machen, was einerseits die Kombination der CPs mit Hydrogelen und andererseits als Blends mit Elastomeren beinhaltet. Das Projekt ist in 3 Arbeitspakete strukturiert: In WP1 soll eine systematische Charakterisierung des komplexen Wechselspiels zwischen Temperatur, Luftfeuchte, elektrischer Leitfähigkeit und rheologischen Eigenschaften des Materials durchgeführt werden. Für die Anwendung als Aktoren und für (variabel aktuierte) Versteifung wird Joule Heating angewendet: lokales Erhitzen führt zu Krümmungsänderungen in Doppelschichten und erhöhten Materialsteifigkeiten. Für die Anwendung als Dehnmessstreifen soll der Widerstand als Funktion der Dehnung gemessen werden. WP2 nutzt 3D Drucktechnologie für die Herstellung von intelligenten Architekturen, die in komplexeren Formänderungen resultieren sollen. Kontinuumbasierte finite Deformationsmodelle sollen für den Einsatz von FE-Simulationen entwickelt werden. Die numerischen Simulationen sollen die Vorhersage von Formänderungen unterstützen und interne Eigenspannungszustände von heterogenen Aktor-Architekturen sichtbar machen. In WP3 ist eine enge Kooperation mit den Demonstratorprojekten TENDON und SMART geplant. Einerseits sollen Dehnmessstreifen mit den Soft Robotics Systemen gekoppelt und hinsichtlich Form, Position und Orientierungsdetektion optimiert werden. Andererseits soll die durch elektrische Felder „auf Knopfdruck“ induzierte Versteifung der intelligenten Schichten und Architekturen mit den existierenden Soft Robots auf Elastomerbasis verknüpft werden. Das Projekt IntPoly adressiert aktuelle Herausforderungen im Gebiet Soft Material Robotics: Materialauswahl, -design und -verarbeitung von neuartigen weichen Materialien mit Hilfe neuer Fabrikationsprozesse (wie z.B. 3D Druck) für weiche, stark dehnbare Aktoren und Sensoren, die optimal in den Demonstratoren integriert werden können.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2100: Soft Material Robotic Systems