Künstliche Muskeln beugen sich zum ersten Mal: ​​Ferroelektrische Polymerinnovation in der Robotik

Von der Penn State University, 8. Juli 2023

Aktivierung ferroelektrischer Polymere durch Joulesche Erwärmung. Bildnachweis: Qing Wang

Forscher der Penn State University haben ein neues ferroelektrisches Polymer entwickelt, das elektrische Energie effizient in mechanische Spannung umwandelt. Dieses Material zeigt Potenzial für den Einsatz in medizinischen Geräten und der Robotik und überwindet die herkömmlichen piezoelektrischen Einschränkungen. Forscher verbesserten die Leistung durch die Schaffung eines Polymer-Nanokomposits, wodurch die erforderliche Antriebsfeldstärke erheblich reduziert und die potenziellen Anwendungen erweitert wurden.

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 -technik an der Penn State University und Mitautor der Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht wurde. „Dies würde es uns ermöglichen, über weiche Materie zu verfügen, die neben einer großen Belastung auch eine hohe Belastung tragen kann. Dieses 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.

„Möglicherweise können wir jetzt eine Art weiche Robotik haben, die wir als künstliche Muskeln bezeichnen.“

— Qing Wang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen

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.

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> DNA ist 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, die zum Aktuator benötigt wird.

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 neue Material kann für viele Anwendungen verwendet werden, die ein niedriges Antriebsfeld erfordern, um wirksam zu sein, wie zum Beispiel medizinische Geräte, optische Geräte und Soft-Robotik.“

— Qing Wang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen

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-Heizung anzutreiben. Da das Antriebsfeld viel geringer sein wird, weniger als 10 %, kann dieses neue Material für viele Anwendungen verwendet werden, die ein niedriges Antriebsfeld erfordern, um effektiv zu sein, wie z. B. medizinische Geräte, optische Geräte und Soft-Robotik. ”

Referenz: „Electro-thermal actuation in percolative ferroelectric polymer nanocomposites“ von Yang Liu, Yao Zhou, Hancheng Qin, Tiannan Yang, Xin Chen, Li Li, Zhubing Han, Ke Wang, Bing Zhang, Wenchang Lu, Long-Qing Chen, J . Bernholc und Qing Wang, 25. Mai 2023, Nature Materials.DOI: 10.1038/s41563-023-01564-7

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Zu den weiteren Forschern der North Carolina State University gehören Hancheng Qin, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Physik; Bing Zhang, Doktorand der Physik; Wenchang Lu, Forschungsprofessor für Physik; und Jerry Bernholc, Drexel-Professor für Physik. Zu den weiteren Forschern der Studie von der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie in Wuhan, China, gehört der Mitautor Yang Liu, ein ehemaliger Postdoktorand für Materialwissenschaft und -technik an der Penn State, jetzt Professor für Materialwissenschaft und -technik.

Die Studie wurde teilweise vom US-Energieministerium unterstützt.