Verleihung des Linzer „Wilhelm - Macke - Award“
16.04.2009
Gummi lässt die Muskeln
spielen
Christoph Keplinger und Martin Kaltenbrunner
Abteilung für Physik der Weichen Materie
Terminator 3 – Rebellion der Maschinen
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Künstliche Intelligenz
(ob diese Maschinen eine solche besitzen bleibt dahingestellt…)
Konstruktionsmaterialien:
Sensorik:
Gewicht, Stabilität, Flexibilität,…
Sehen, Hören, Tasten…
Sind solche Roboter realisierbar?
Und wenn man an Schwarzenegger denkt:
Künstliche MUSKELN (Aktoren)
Gewicht/Maximalkraft, Energiebedarf,…
P.S.: Aktoren werden natürlich nicht
nur bei Robotern eingesetzt.
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Von der Science Fiction in die
Vergangenheit...
Wie löst man das Problem, Maschinen bewegungsfähig zu machen?
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
…bis zur Gegenwart
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
…eine elegantere Lösung…
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
…aber eine noch bessere Lösung
liegt schon seit über 100 Jahren in den Bibliotheken!
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Das Röntgen Experiment
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Coulombkraft
1 Q1Q2
F
er
2
4 0 r
Inkompressibilität (Volumen bleibt konstant)
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Aber warum will sich der Gummi nach Entladung wieder
zusammenziehen?
Ein anschauliches Modell für Gummi:
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Entropie…
r
S  kB ln 

Anzahl der Realisierungsmöglichkeiten
 Gummi hat das Bestreben, in den Zustand max.
Entropie zurückzukehren
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Ein anschaulicher Vergleich…
•
Christoph Keplinger
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
Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit
dehnbaren Elektroden
Gummi
dehnbare
Elektroden
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit
dehnbaren Elektroden
z0
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit
dehnbaren Elektroden
z
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Warum ist diese Methode so gut für Aktoren 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?
• 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…
Elektrische Analyse und Steuerung
Mathematische Modellierung
 3

2
2
  1     i

3
1

2
2
i 1
F  N c k BT 
 ln 1     i   
3
2
 1  2  2
i 1



i


i 1


 


 3   2 1   1  2


3




1


i
2 
2
2 
N s k BT   

ln
1



ln
1






i
i


3
 i 1 

2
i 1


2 
2
2
  1   i  1     i 


i 1



 

f  nL
1
   rI  
2
     1 nL

 rs 
 rI  
1
   rII  
2 4 3
  4  rp  rs

rs 

 rII  
 Designparameter für Materialwissenschaftler und
Industrie zur Optimierung der Elastomer Aktoren
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Die Formeln werden zum Leben erweckt…
…eine einfache Anwendung:
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
…die Spaß macht!
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner
Danke…
- team:
…an meine
Kollegen…
…und für eure
Aufmerksamkeit!
Christoph Keplinger
Martin Kaltenbrunner

Vortrag PPT