Kleinere, leichtere Geräte, die viele Dinge auf einmal erledigen
Seit dem Aufkommen von Smartphones und dem Internet der Dinge sind derartige Geräte für viele Menschen zu einer unverzichtbaren Ausrüstung für Arbeit und Freizeit geworden. Den nächsten Schritt wird die Integration von Geräten darstellen – als tragbare Technologie oder eingebettet in die Objekte, mit denen wir interagieren – was bedeutet, dass sie kleiner, leichter und effizienter werden müssen. Eine neue Art der Verwendung eines intelligenten Materials, das als dielektrisches Elastomer (DE) bekannt ist, könnte für eine neue Generation interaktiver Geräte sorgen. „Dielektrische Elastomere, bei denen es sich um Silikonfolien handelt, verfügen über besondere Eigenschaften – sie sind dehnbar und elektrisch isolierend“, sagt Giacomo Moretti, leitender Forscher im Projekt DEtune. Moretti, der inzwischen als Assistenzprofessor für Angewandte Mechanik an der Universität Trient in Italien lehrt, fügt hinzu: „Wenn man ein elektrisches Potential anlegt, verformen sich dielektrische Elastomere selbst, womit man sie zum Bau von Aktoren in sehr unterschiedlichen Formen einsetzen kann.“ Ziel des DEtune-Teams, das am Lehrstuhl für Intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes angesiedelt ist, war es herauszufinden, ob dielektrische Elastomere zur Herstellung einer neuen Art von leichten Lautsprechern genutzt werden können. Das Team untersuchte zudem die Bewegungsmuster von Membranen, die auf niedrige Frequenzen reagieren, und gelangte zu neuen Erkenntnissen.
Faszinierende neue Anwendungen für dielektrische Elastomere
Weiche Membranen mit dielektrischen Elastomeren können dank elektrostatisch erzeugter Schwingungen Schall erzeugen. Dadurch werden die starren Schwingspulen oder Membranen herkömmlicher Lautsprecher überflüssig. Die Forschenden von DEtune, die im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt werden, haben mit einem fortschrittlichen Laservibrometer die Verformungsmuster der Membranen gemessen, wenn elektrische Potenziale bei verschiedenen Frequenzen angelegt wurden. Sie bedienten sich der Daten, um Modelle zu erstellen, die das Verhalten eines Lautsprechers mit dielektrischen Elastomeren in Bezug auf Dynamik und Schalldruck beschreiben können. „Wir haben außerdem Prototyplautsprecher konstruiert. Da sie über keinen Magneten und keine Spule verfügen, können sie viel leichter sein als normale Geräte“, bemerkt Moretti. Die Potenziale von dielektrischen Elastomeren bilden derzeit ein interessantes Forschungsgebiet. Die im Zuge des Projekts durchgeführte Analyse der Kombination aus numerischer und experimenteller Charakterisierung von spannungsgesteuerten Schwingungen in Membranen mit dielektrischen Elastomeren stellt jedoch die bisher umfassendste Analyse in diesem Bereich dar. Die Beobachtung, wie sich die Oberfläche einer Membran bei verschiedenen Frequenzen bewegt, führte zu einer weiteren Idee. „Bei niedrigen Frequenzen bewegen sich einige Aktoren mit dielektrischen Elastomeren pumpend, bei hohen Frequenzen entwickelt die Oberfläche der Membran eine Reihe komplexer Bewegungsmuster, die es ermöglichen, Schall zu erzeugen“, erklärt Moretti. „Wir haben erkannt, dass wir diese verschiedenen Bewegungen gleichzeitig erzeugen und unsere Geräte multifunktional gestalten können.“
Potenzial für multifunktionale digitale Anwendungen und Geräte
Moretti beschreibt dies als „eine Art Aha-Erlebnis, obwohl man, wenn man es einmal gesehen hat, merkt, dass es eigentlich sehr intuitiv ist.“ Weitere Prototypen demonstrierten dieses neue multifunktionale Potenzial. Dazu gehört ein intelligenter Taster, der Berührungen erkennt, daraufhin vibriert und einen Ton erzeugt. Ein anderer war ein Aktor, der eine Melodie spielen und sich gleichzeitig synchron zur Musik bewegen kann. Geräte mit dielektrischen Elastomeren befinden sich noch in einem vorkommerziellen Stadium, aber das DEtune-Team schätzt, dass die Fähigkeit, auf verschiedene Arten zu reagieren, zu einer neuen Generation von Wearables beitragen könnte. „Dadurch sind Anwendungen möglich, bei denen man mehrere Dinge mit einem Gerät tun kann. Die Integration all dieser Funktionen in ein einziges Gerät spart Platz und Geld und verschafft den Nutzenden mehr Möglichkeiten“, bemerkt Moretti. Er stellt sich Anwendungen wie intelligente Textilien vor, die mit der sie tragenden Person interagieren könnten – zum Beispiel eine Arbeitskraft vor Risiken in ihrer Umgebung warnen oder sie durch komplexe Aufgaben führen.
Schlüsselbegriffe
DEtune, intelligentes Material, dielektrische Elastomere, Lautsprecher, leichter Lautsprecher, multifunktional, Wearable, tragbare Technologie, intelligente Textilien
