Natur als Vorbild: Aktive Doppelschicht-Strukturen aus intelligenten Polymeren

Natur als Vorbild: Aktive Doppelschicht-Strukturen aus intelligenten Polymeren

Roboter-Greifer könnten leicht, klein, weich und geschmeidig gefertigt werden – wenn das richtige Material zur Verfügung stünde. Nun haben Forschende der Universität Stuttgart aktive Doppelschicht-Strukturen aus intelligenten Polymeren entwickelt, die sich bei Feuchtigkeit von selber biegen und wieder in ihre ursprüngliche Form zurückfinden.

Als Vorbild diente den Wissenschaftlern der Pyrenäen-Felsenteller. Dessen Blätter bestehen aus mehreren Schichten, von denen eine Wasser aufnehmen kann und aufquillt, während andere stabil bleiben. Bei Trockenheit schwindet der Wasserspeicher und das Blatt wölbt sich, bei Feuchtigkeit gewinnt es seine Form wieder von alleine zurück.

Die Forschenden am Lehrstuhl für Struktur und Eigenschaften polymerer Materialien (Prof. Sabine Ludwigs) und am Institut für Mechanik/Bauwesen (Prof. Holger Steeb) haben dieses Prinzip in einer einfachen Doppelschicht-Struktur aus Polymeren nachgebaut. Hier löst Feuchtigkeit in einem Biegebalken eine Krümmung aus.

Unter verschiedenen Klimabedingungen wurde dann getestet, wie verschiedene Parameter die Wasseraufnahmefähigkeit, die Steifigkeit und das Biegeverhalten beeinflussen. Aus den Daten erstellten die Forschenden ein mathematisches Modell, mit dem sich das mechanische Verhalten prognostizieren lässt. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Advanced Materials veröffentlicht.

„Die Verbindung aus mechanischer Charakterisierung und einem einfachen analytischen Modell erlaubt die zuverlässige Vorhersage der Aktuatorkrümmung. Das ist das Besondere an unserer Forschung.“
 Sabine Ludwigs, Lehrstuhl für Struktur und Eigenschaften polymerer Materialien

Das Prinzip könnte zum Beispiel für weiche Roboter-Greifarme oder in der Biomedizin genutzt werden. Die Wissenschaftler wollen ihre Forschung auf mehrlagige Strukturen sowie auf komplexere Geometrien erweitern. Zudem soll neben der Feuchtigkeit auch andere Trigger, etwa ein elektrisches Feld, untersucht werden, mit dem die Veränderung angestoßen werden kann.

Bild oben: Bei hoher Luftfeuchtigkeit biegt sich die polymere Doppelschicht und geht in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn sie getrocknet wird.
(Quelle: Universität Stuttgart / IPOC)


Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, Advanced Materials, Konstruktionspraxis, x-mol.com

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