Dielectric Elastomer Actuator

Auch genannt: DEA
Kategorie: Actuation & drivetrain › Motors
Schlagwörter: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage

Ein weicher Aktor aus einer dünnen Elastomerfolie zwischen nachgiebigen Elektroden; eine hohe Spannung drückt die Folie dünner und breitet sie weiter aus, wodurch große Dehnungen entstehen.

Definition

Ein dielektrischer Elastomeraktor (DEA) (dielectric elastomer actuator) ist ein Kondensator mit einem weichen, dehnbaren Dielektrikum. Eine dünne Elastomerfolie, typischerweise aus Silikon oder einem Acrylelastomer, wird auf beiden Seiten mit nachgiebigen Elektroden beschichtet, etwa aus Kohlenstofffett, kohlenstoffgefülltem Silikon oder Kohlenstoffnanoröhren-Schichten. Wird eine Spannung angelegt, ziehen sich die entgegengesetzten Ladungen auf den beiden Elektroden an und die gleichnamigen Ladungen auf jeder Elektrode stoßen sich ab, wodurch die Folie in der Dicke zusammengedrückt und in der Fläche ausgedehnt wird. Da das Elastomer nahezu inkompressibel ist, sind Dickenabnahme und Flächenzunahme gekoppelt. DEAs gehören zur größeren Familie der elektroaktiven Polymere, und Arbeiten von Pelrine und Kollegen bei SRI International um 2000 zeigten, dass vorgedehnte Folien Dehnungen über 100 Prozent erreichen können, was sie zu ernsthaften Kandidaten für künstliche Muskeln machte.

Der effektive Aktuierungsdruck, oft Maxwell-Spannung genannt, ist p = ε₀ εᵣ E², wobei E das elektrische Feld über der Folie (Spannung geteilt durch Dicke) und εᵣ die relative Permittivität des Elastomers ist. Die quadratische Abhängigkeit vom Feld ist der Grund, warum DEAs Feldstärken von einigen zehn Volt pro Mikrometer benötigen, was bei Folien von einigen zehn Mikrometern Dicke Kilovolt bedeutet, oder Mehrschichtstapel aus dünneren Folien, um die Spannung zu senken. Praktische Bauformen sind Stapel, die sich in der Dicke zusammenziehen, gerollte Röhren, die sich ausdehnen oder biegen, Membranen sowie vorgedehnte Folien auf flexiblen Rahmen, die sich biegen oder falten. Vordehnung verbessert die Leistung und hilft, die elektromechanische Instabilität zu unterdrücken, bei der die Folie dünner wird, das Feld steigt und die Folie weiter dünner wird, bis sie versagt.

Der Betriebsbereich wird durch die Versagensarten bestimmt. Der dielektrische Durchschlag, ein elektrischer Kurzschluss durch die Folie, begrenzt das Feld und damit die Kraft; Fehlstellen, Staub und Elektrodenränder führen dazu, dass der Durchschlag unterhalb der nominalen Festigkeit des Materials auftritt, sodass die Lebensdauer stark davon abhängt, wie nahe an dieser Grenze der Aktor betrieben wird. Acrylelastomere liefern große Dehnungen, sind aber viskoelastisch und langsam, während Silikone schneller und mit geringeren Verlusten reagieren, was für Hochfrequenzanwendungen wie Schlagflügel wichtig ist. Elektrisch ist ein DEA eine kapazitive Last: Im stationären Zustand zieht er wenig Strom, braucht aber einen kompakten Hochspannungstreiber, und dieser Treiber ist oft das schwerste und schwierigste Teil eines kleinen DEA-getriebenen Roboters. Anders als magnetische oder motorbasierte Aktuierung hat ein DEA keine Magnete, Spulen oder Getriebe, und seine Nachgiebigkeit ist Teil des Aktors selbst, statt über eine Feder oder eine weiche Struktur hinzugefügt zu werden.

Warum es wichtig ist

DEAs bieten muskelähnliche Dehnung und schnelle Reaktion aus einem weichen, geräuschlosen Bauteil ohne Getriebe oder Magnete. Damit gehören sie zu den wenigen Aktoroptionen für fliegende Roboter im Insektenmaßstab, weiche Greifer und andere Maschinen, bei denen Motoren zu schwer oder zu starr sind, sofern die Hochspannungselektronik und die Durchschlagsgrenze von Anfang an in den Entwurf einbezogen werden.

Wichtige Anwendungen

Schlagflügel- und Flugroboter im Insektenmaßstab
Weiche Greifer, einschließlich Bauformen in Kombination mit Elektroadhäsion
Weiche kriechende und schwimmende Roboter
Haptische und taktile Displays
Abstimmbare Linsen und andere adaptive optische Bauelemente
Energiegewinnung mit dielektrischen Elastomergeneratoren

In der Praxis

Ein Team, das einen Schlagflügelroboter im Insektenmaßstab baut, rollt einen mehrschichtigen Silikon-DEA zu einem Zylinder und verbindet ihn über ein Festkörpergelenk-Getriebe mit dem Flügel. Es steuert ihn mit einer sinusförmigen Hochspannung nahe der Resonanzfrequenz des Flügels an, überlagert mit einer DC-Vorspannung, sodass der Aktor um einen Mittelpunkt in beide Richtungen schwingt; der elektrostatische Druck drückt die Folie immer nur zusammen, unabhängig von der Polarität. Die Spitzenspannung wird mit Abstand unterhalb der Durchschlagsspannung gewählt, die an Testmustern aus derselben Charge gemessen wurde, denn näher an die Grenze zu gehen bringt mehr Auftrieb, verkürzt aber die Lebensdauer des Aktors stark. Der Flugregler behandelt die Spannungsamplitude als Schubbefehl und muss diese Obergrenze einhalten, ebenso die langsame Änderung der Aktoreigenschaften, wenn er sich erwärmt und altert.

Häufige Missverständnisse

Höhere Spannung bedeutet immer mehr nutzbare Kraft — die Kraft wächst mit dem Quadrat des Feldes, aber ebenso das Risiko eines dielektrischen Durchschlags, und der Betrieb nahe der Grenze verkürzt die Lebensdauer stark
Eine Umkehr der Spannung kehrt die Bewegung um — der elektrostatische Druck hängt vom Quadrat des Feldes ab, sodass die Folie unabhängig von der Polarität zusammengedrückt wird; eine Bewegung in beide Richtungen braucht eine Vorspannung, eine Vorlast oder ein antagonistisches Paar
DEAs sind leicht zu versorgen, weil sie wenig Strom ziehen — sie brauchen Ansteuerelektronik im Kilovoltbereich, und der Wandler bestimmt oft Masse und Komplexität eines kleinen Roboters
Ein DEA ist eine Art Piezoaktor — Piezokeramiken sind steif und liefern Dehnungen deutlich unter einem Prozent, während DEAs weich sind und auf elektrostatischem Druck auf eine nachgiebige Folie beruhen

Wer das wissen sollte

Forschende in der Weichrobotik
Ingenieure für Mikroroboter und Flugroboter im Insektenmaßstab
Entwickler von Hochspannungs-Leistungselektronik
Werkstoffingenieure, die an elektroaktiven Polymeren arbeiten

Open Source Robotics