Ein intelligentes Elastomer, das sich selbst steuern kann

27. Januar 2023

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von Shiyang Tang, Universität Birmingham

Intelligente Materialien sind Materialien, die ihre Eigenschaften als Reaktion auf bestimmte äußere Reize wie Temperatur, Feuchtigkeit, Licht oder ausgeübte Belastung ändern können. Eines der bekanntesten Beispiele für intelligente Materialien ist die Formgedächtnislegierung (SMA), eine Art metallisches Material, das seine Form als Reaktion auf Temperaturänderungen ändern kann.

Ein weiteres Beispiel für intelligente Materialien sind piezoelektrische Materialien, die als Reaktion auf ausgeübte mechanische Belastung eine elektrische Ladung erzeugen. Intelligente Materialien haben ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen, unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Robotik, der Fertigung und der biomedizinischen Technik.

Materialien mit variabler Steifigkeit sind intelligente Materialien, die ihre Steifigkeit bzw. ihren Widerstand gegen Verformung als Reaktion auf äußere Reize anpassen können. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Material, sich an veränderte Bedingungen anzupassen und die Leistung in einer Vielzahl von Umgebungen zu verbessern.

Einer der Hauptvorteile von Materialien mit variabler Steifigkeit besteht darin, dass sie die Effizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit mechanischer Systeme erhöhen können. Beispielsweise können Materialien mit variabler Steifigkeit verwendet werden, um Roboterarme und -greifer zu schaffen, die sich an verschiedene Objekte und Umgebungen anpassen können. Dadurch kann der Roboterarm oder Greifer eine Reihe verschiedener Objekte mit unterschiedlichen Formen, Größen und Gewichten handhaben, was die Komplexität verringern und die Gesamteffizienz des Robotersystems erhöhen kann.

Innovative intelligente Materialien mit einstellbaren elektromechanischen Eigenschaften revolutionieren die Bereiche Fertigung, tragbare Geräte und Robotik. Bisher muss jedoch noch ein Material gefunden werden, das seine elektrischen und mechanischen Eigenschaften als Reaktion auf Umweltveränderungen intelligent selbst anpassen und die veränderten Eigenschaften ohne externe Kontrolle synergetisch nutzen kann.

Um diese Lücke zu schließen, entwickelte ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Shiyang Tang von der University of Birmingham zusammen mit Mitarbeitern der University of Science and Technology of China, der University of Cambridge und der University of Wollongong ein intelligentes Material namens das Metall-Hybrid-Füller-Elastomer (FMHE) von Field. Der FMHE besteht aus Hybridfüllstoffen aus Field-Metall (einer ungiftigen Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt) und mit Spikes versehenen Nickel-Mikropartikeln, die in eine Elastomermatrix eingebettet sind.

Über diese Forschung wurde in ihrem kürzlich in Science Advances veröffentlichten Artikel berichtet.

Der von den Forschern geschaffene FMHE kann sowohl auf mechanische Belastung als auch auf elektrische Ströme reagieren und weist ohne externe Steuerung eine variable und einstellbare elektrische Leitfähigkeit und Steifigkeit auf. Das Schmelzen und Erstarren des Feldmetalls ermöglicht die Änderung der Steifigkeit. Der FMHE weist außerdem einen unkonventionellen negativen Piezowiderstand und eine hohe Dehnungsempfindlichkeit auf, wobei der spezifische Widerstand sowohl bei Kompression als auch bei Dehnung millionenfach abnimmt.

Durch die synergetische Nutzung dieser Eigenschaften demonstrierten die Forscher zwei Anwendungen in intelligenten und widerstandsfähigen Systemen mit einer Leistungsverbesserung von über einer Größenordnung im Vergleich zum Stand der Technik. Die erste Anwendung ist ein selbstauslösender mehrachsiger Nachgiebigkeitskompensator, der Robotermanipulatoren vor übermäßigen Druck-, Biege- und Torsionsbewegungen schützen kann.

Die zweite Anwendung ist eine rücksetzbare strombegrenzende Sicherung, die einstellbare Sicherungsströme bietet und kommerzielle Produkte in Bezug auf Kompaktheit, Betriebsstrombereich und Reaktionsgeschwindigkeit deutlich übertrifft.

„Ich bin begeistert, dass unsere Experimente und Simulationen den Mechanismus hinter dem negativen piezoresistiven Effekt und der einstellbaren Leitfähigkeit, Dehnungsempfindlichkeit und Steifigkeit dieses intelligenten Materials aufgedeckt haben. Ich hoffe, dass diese Forschung der Beginn der weiteren Studie zu dieser neuen Materialfamilie ist.“ das das Potenzial hat, die Entwicklung intelligenter und belastbarer Robotik und Elektronik zu revolutionieren“, sagte Dr. Guolin Yun, der Erstautor der Studie.

„Diese selbstreagierenden intelligenten Materialien bieten nicht nur Möglichkeiten zur Kosteneinsparung, sondern erhöhen auch die Zuverlässigkeit, indem sie den Bedarf an komplexen Steuerungssystemen reduzieren“, sagte Dr. Shiyang Tang.

Diese Studie bietet einen erheblichen Mehrwert für die Bereiche Fertigung, Robotik und Elektronik und führt möglicherweise zur Entwicklung elektromechanischer Systeme mit verbesserter Leistung und Funktionalität.

Mehr Informationen: Guolin Yun et al., Elektromechanisch reagierende Elastomere mit selbstabstimmbarer Leitfähigkeit und Steifigkeit, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1141

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Fortschritte

Zur Verfügung gestellt von der University of Birmingham