Gummi lässt die Muskeln Gummi lässt die Muskeln spielenspielen

Christoph Keplinger und Martin Kaltenbrunner

Verleihung des Linzer „Wilhelm - Macke - Award“ 16.04.2009

Abteilung für Physik der Weichen Materie

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Terminator 3 – Rebellion der Terminator 3 – Rebellion der MaschinenMaschinen

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Sind solche Roboter realisierbar?Sind solche Roboter realisierbar?

Künstliche Intelligenz (ob diese Maschinen eine solche besitzen bleibt

dahingestellt…)

Konstruktionsmaterialien: Gewicht, Stabilität,

Flexibilität,…Sensorik:

Sehen, Hören, Tasten…

Und wenn man an Schwarzenegger denkt:

Künstliche MUSKELN (Aktoren)

Gewicht/Maximalkraft, Energiebedarf,…

P.S.: Aktoren werden natürlich nichtnur bei Robotern eingesetzt.

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Von der Science Fiction in die Von der Science Fiction in die Vergangenheit...Vergangenheit...

Wie löst man das Problem, Maschinen bewegungsfähig zu

machen?

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

……bis zur Gegenwartbis zur Gegenwart

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

……eine elegantere Lösung…eine elegantere Lösung…

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

……aber eine noch bessere Lösung aber eine noch bessere Lösung liegt schon seit liegt schon seit über 100 Jahrenüber 100 Jahren in den in den

Bibliotheken!Bibliotheken!

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Das Röntgen ExperimentDas Röntgen Experiment

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

CoulombkraftCoulombkraft

1 22

0

1

4 r

Q QF e

r

Inkompressibilität (Volumen bleibt konstant)Inkompressibilität (Volumen bleibt konstant)

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Aber warum will sich der Gummi nach Entladung Aber warum will sich der Gummi nach Entladung wieder zusammenziehen?wieder zusammenziehen?

Ein anschauliches Modell für

Gummi:

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Entropie…Entropie…

ln Anzahl der RealisierungsmöglichkeitenBS k

Gummi hat das Bestreben, in den Zustand max. Gummi hat das Bestreben, in den Zustand max. Entropie zurückzukehrenEntropie zurückzukehren

r

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Ein anschaulicher Vergleich…Ein anschaulicher Vergleich…

• Zimmer dem Zufall überlassen - Gummiband im Ausgangszustand

• Arbeit ins Zimmer stecken (aufräumen) - Gummimoleküle durch die

elektrostatische Kraft strecken

• Zimmer wieder dem Zufall überlassen -

Gummiband kehrt wie Zimmer wieder

in Ausgangszustand zurück

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden

Gummi

dehnbare Elektroden

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden

z0

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden

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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Warum ist diese Methode so gut für Aktoren Warum ist diese Methode so gut für Aktoren geeignet?geeignet?

• Elastomer Aktoren sind Kondensatoren variabler Kapazität Energieeffizienz

• kostengünstige Ausgangsmaterialien

• sehr hohe Energiedichte bei geringem Gewicht

• Flexibilität und Elastizität der Materialen verleihen dem Aktor „Bewegungseleganz“

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Warum sind solche Aktoren noch nicht im Einsatz?Warum sind solche Aktoren noch nicht im Einsatz?

• komplizierter Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und Deformationszustand des Elastomers

• benötigte Spannungen sehr hoch (kV-Bereich)

• diese Spannungen können das Elastomer zerstören

Verständnis der Eigenschaften der Elastomere muss verbessert werden, um geeignete Materialen zu entwickeln und Elastomer Aktoren zu optimieren

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Was uns bis jetzt gelungen ist…Was uns bis jetzt gelungen ist…

32 2

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2 23 32 2 2

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F N k T

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L L

Elektrische Analyse und Steuerung

Mathematische Modellierung

Designparameter für Materialwissenschaftler und Industrie zur

Optimierung der Elastomer Aktoren

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Die Formeln werden zum Leben erweckt…Die Formeln werden zum Leben erweckt……eine einfache Anwendung:…eine einfache Anwendung:

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

……die Spaß macht!die Spaß macht!

Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner

Danke…Danke…

……an meine an meine Kollegen…Kollegen…

……und für eure und für eure Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!

- team: