Neuartiger elektrostatischer Aktuator nutzt Ferroelektrika, um künstliche Muskelkräfte um das 1.200-fache zu steigern

Jul 06, 2023

Forscher des Tokyo Institute of Technology und der ENEOS Corporation haben elektrostatische Hochleistungsaktoren entwickelt, die ihrer Meinung nach eine Möglichkeit bieten könnten, die Technologie für den Einsatz in künstlichen Muskeln zu erweitern – und das bei niedriger Antriebsspannung.

Elektrostatische Aktuatoren, die Objekte mithilfe elektrischer Felder bewegen, sind einfach herzustellen und bestehen aus zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden, die durch die Anwendung von Elektrizität eine Kraft erzeugen. Sie haben sich sogar als nützlich erwiesen, um künstliche Muskeln in Bewegung zu versetzen, mit einem großen Nachteil: Die Skalierung der Technologie auf menschenähnliche Muskeln bedeutet, dass die Geräte mit einer viel zu hohen Spannung betrieben werden müssen, um eine angemessene Sicherheit zu gewährleisten.

Die Forscher behaupten, dieses Problem gelöst zu haben, indem sie von herkömmlichen paraelektrischen Medien auf Ferroelektrika umgestiegen sind und so die bei niedrigeren Spannungen verfügbare Kraft erhöht haben. „Ferroelektrische Medien sind gewöhnlichen paraelektrischen Medien für den Einsatz in elektrostatischen Aktoren in zweierlei Hinsicht überlegen“, erklärt Suzushi Nishimura, Professorin an der Tokyo Tech und Leiterin des Projekts. „Zum einen können sie eine höhere Kraft erzeugen, indem sie selbst bei niedriger Spannung eine große Polarisation aufrechterhalten, und zum anderen ist ihr Spannungsverhalten nahezu linear, was zu einer guten Steuerbarkeit des Geräts führt.“

Mithilfe eines nematischen Flüssigkristalls, der bei Raumtemperatur fließt, ist es dem Team gelungen, an den Elektroden Kräfte zu erzeugen, die etwa 1.200-mal höher sind als bei herkömmlichen Materialien wie Isolieröl. Auch eine 3D-gedruckte Doppelhelix-Spiralelektrode bewies das Konzept mehr als nur eine Theorie: „Als wir ein elektrisches Feld von 0,25 MV m⁻¹ anlegten, zog sich das Gerät um 6,3 mm [ungefähr 0,25 Zoll] zusammen, was etwa 19 entspricht Prozent seiner ursprünglichen Länge“, erklärt Nishimura. „Die visuelle Beobachtung zeigte, dass sich das Gerät bewegt, wenn eine Spannung von 20 V angelegt wird. Das bedeutet, dass sogar eine Trockenbatterie den vorliegenden Aktuator mit Strom versorgen kann.“

Die Arbeit des Teams wurde in der Fachzeitschrift „Advanced Physics Research“ veröffentlicht, wobei eine frühe Ansichtskopie in der Wiley Online Library unter Open-Access-Bedingungen verfügbar ist.