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Jenseits der Grenzen der Keramik: Warum können elektroaktive Polymere 380 % Dehnung erreichen?
Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt ersetzen elektroaktive Polymere (EAPs) nach und nach traditionelle piezoelektrische Keramikmaterialien und werden zu einem wichtigen Bestandteil moderner mechanischer Geräte. Die Besonderheit dieser Polymere besteht darin, dass sie bei Stimulation durch ein elektrisches Feld ihre Größe und Form drastisch verändern können und einer erstaunlichen Deformationskraft von bis zu 380 % standhalten, was sie für Anwendungen wie Robotik und künstliche Muskeln attraktiv macht.
Mit dem Aufkommen elektroaktiver Polymere werden zukünftige Roboter und biomimetische Geräte die Funktionsweise unserer biologischen Systeme genauer nachahmen.
Geschichte der elektroaktiven Polymere
Die Geschichte der Forschung zu elektroaktiven Polymeren reicht bis ins Jahr 1880 zurück, als der Wissenschaftler Wilhelm Röntgen ein Experiment durchführte, um die Wirkung elektrostatischer Felder auf die mechanischen Eigenschaften von Naturkautschuk zu testen. Im Laufe der Zeit entwickelte sich das Feld weiter, bis Minoru Kawai im Jahr 1969 nachwies, dass Polyvinylidenfluorid (PVDF) einen starken piezoelektrischen Effekt aufweist.
Seitdem haben sich viele Forscher der Entwicklung anderer Polymermaterialien gewidmet, um ähnliche Effekte zu erzielen. Im Jahr 1999 schlug Youssef Balkon den „elektroaktiven Polymer-Roboterarm und die Herausforderung des menschlichen Ringens“ vor und förderte so die Anwendung dieser Technologie weiter.
Arten elektroaktiver Polymere
Elektroaktive Polymere können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: dielektrische Polymere und ionische Polymere.
Dielektrische Polymere
Dielektrische Polymere werden durch elektrostatische Kräfte zwischen Elektroden betätigt und verfügen, wie etwa piezoelektrische Polymere, über eine hohe Flexibilität und hohe Dehnungseigenschaften. Sie werden in zahlreichen mechanischen Geräten häufig verwendet.
Ionische Polymere
Ionische Polymere werden durch die Verschiebung von Ionen innerhalb des Polymers aktiviert. Obwohl sie mit nur geringer Spannung aktiviert werden können, benötigen sie eine kontinuierliche Stromversorgung, um die Wirkung aufrechtzuerhalten. Dieser Polymertyp wird hauptsächlich in biomimetischen Geräten eingesetzt.Im Vergleich zu herkömmlichen Keramikmaterialien können diese elektroaktiven Polymere nicht nur höheren Belastungen standhalten, sie können auch bei niedrigeren Spannungen aktiviert werden, was einen erheblichen Vorteil darstellt.
Anwendungen und zukünftige Richtungen
Derzeit haben elektroaktive Polymere ihr Potenzial in vielen Bereichen unter Beweis gestellt, darunter in der künstlichen Muskulatur, bei taktilen Displays und in mikrofluidischen Geräten. Mit dem Fortschritt der Technologie erforschen Wissenschaftler, wie sich die Leistung und Stabilität dieser Materialien verbessern lässt, um bessere kommerzielle Anwendungen zu erreichen.
Zukünftig stehen die Entwicklung hitzebeständiger elektroaktiver Polymere und die Verbesserung ihrer Leitfähigkeit im Fokus der Forschung. Diese Verbesserungen werden dazu beitragen, effizientere und langlebigere Roboter- und biomimetische Geräte zu entwickeln und so das Fachgebiet weiter voranzubringen.
In der Welt der Zukunft werden diese Polymere voraussichtlich unsere Lebensweise und industrielle Produktion völlig verändern. Wird der Traum von „Robotermuskeln“ tatsächlich Wirklichkeit?
